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工学院张艳锋研究员课题组在二维金属性过渡金属硫化物的可控制备和物性研究方面取得新进展
日期: 2018-11-27  信息来源: 工学院

9月14日,北京大学工学院材料科学与工程系张艳锋研究员课题组在《先进材料》(Advanced Materials)上发表文章《化学气相沉积法制备晶圆尺寸具有稳定电荷密度波的二硒化钽》(Chemical Vapor Deposition Grown Wafer‐Scale 2D Tantalum Diselenide with Robust Charge‐Density‐Wave Order),报道了课题组在二维金属性TaSe2薄膜的大面积、层厚可控的制备和电荷密度波研究方面的最新进展。

金属性过渡金属硫化物(MTMDCs),特别是由第五副族金属元素和硫族元素形成的MTMDCs材料,其体材料具有磁性、电荷密度波(CDW)相变、拓扑超导等新奇的物理特性。当其层厚减薄到二维限域下的少层/单层时,会表现出更加新颖的层厚依赖的物性调控,在柔性透明电极和新型催化/储能方面也具有一定的应用前景。电荷密度波是强关联材料体系中的一个新奇物理现象。在CDW相态下,材料的晶格和电荷密度分布产生自发的周期性调制。近年来,二维层状材料的CDW研究受到越来越多的关注,但是因其成因非常复杂,且与超导态之间的关系仍不清晰,因此亟需构建合适的研究体系来探究二维限域条件下相关问题。由于2H-TaSe2具有极低的超导转变温度(50 mK),可以避免超导态和电荷密度波相的共存,因而是研究电荷密度波相图和其形成机制的理想体系。现有获取二维少层、单层MTMDCs材料的途径有两种,一是通过化学气相输运(CVT)获得体相MTMDCs,然后利用胶带逐层剥离,但存在层厚不可控、畴区尺寸小,无法实现规模化制备等问题。另一种是借助先进的分子束外延(MBE)方法,利用“自下而上”的合成方法来实现层厚的调控,然而该方法依赖价格高昂的仪器设备,且制备效率极低。

近两年来,张艳锋研究员课题组在金属性MTMDCs材料的可控制备和应用研究方面取得了系列研究进展。基于化学气相沉积(CVD)法,他们在传统的SiO2基底上成功地获得了厚度为几个纳米、面内尺寸达几十微米的1T-VS2纳米片,发现其可以作为超级电容器的优异电极材料(Nano Lett. 2017, 17, 4908)。进而他们基于范德华外延的机制,首次在原子级平整的云母表面可控合成了超高电导率的金属性1T-VSe2,该材料是构筑半导体性二维材料场效应晶体管器件的理想电极材料(Adv. Mater. 2017, 29, 1702359)。与此同时,他们分别利用低压CVD法,在金箔上首次制备了厘米尺寸均匀、具有幻数厚度(4层)的2H-TaS2薄膜以及层数可调的纳米片,绘制了2H-TaS2电荷密度波相变温度随其层数变化的相图,并发现了其超高的电催化析氢活性(Nature Commun. 2017, 8,958)。此外,他们也在三维多孔金衬底上实现了1T-TaS2的垂直生长,并研究了不同相态(2H/1T相)对于电催化析氢活性的影响电催化析氢性能(Adv. Mater. 2018, 30, 1705916)。基于上述成果,张艳锋研究员受邀在Coordination Chemistry Reviews撰写综述文章(Coordin. Chem. Rev. 2018, 376, 1)。

最近张艳锋研究员课题组利用常压CVD生长方法,在金箔基底上成功制备了晶圆尺寸的单层2H-TaSe2薄膜,以及层厚可控的纳米片。低温透射电子显微镜(LT-TEM, 80K)表征发现,与CDW相关的周期性超结构不仅存在于厚层的2H-TaSe2材料中,在单层薄膜中也能稳定存在。进一步的变温Raman表征显示,随着2H-TaSe2层厚的减薄,从电荷密度波相到金属相的相变温度(Tc)逐渐增大(由体相的90K增大到单层的120K)。结合文献结果:二维限域下随层厚减小2H-TaSe2的电-声耦合强度增大,进而推断电声子耦合强度的增大是导致其CDW相变温度提升的关键机制。此外,他们也发现在碳布衬底上直接制备的2H-TaSe2纳米片可作为超级电容器的电极材料。该研究为二维MTMDCs材料的可控制备、新奇物性研究和实际应用拓展了新的研究体系(Au箔生长体系),获得了截至目前最大尺寸的、高质量的、严格单层的MTMDCs材料,以及层厚可调的少层材料。由于纳米尺度的MTMDCs材料具有超高的比表面积、优异的导电特性、层间相对弱的范德华相互作用等优异的特性,未来在新能源的存储和转化方面也具有非常大的应用潜力。

(a) 金箔上常压CVD法制备单层2H-TaSe2示意图 (b) 厘米尺寸单层2H-TaSe2薄膜 (c) 2H-TaSe2的超级电容器电极应用示意图 (d) 单层2H-TaSe2的3×3周期性超结构

该工作得到了中山大学陈焕君教授、北京大学物理学院王健教授、中科院物理所谷林研究员、北京大学工学院张青研究员的通力合作和支持,并得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金以及清华大学低维量子物理国家重点实验室开放基金等的资助。

 

编辑:山石

责编:凌薇

 

 


   
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