中新網(wǎng)北京4月4日電 (記者 孫自法)作為一類新興的二維材料，二維過渡金屬碲化物材料因其奇特的超導、磁性、催化活性等物理和化學性質，在量子通信、催化、儲能、光學等領域展現(xiàn)出重要應用潛力，受到國際學術界廣泛關注。不過，該材料目前還無法實現(xiàn)高質量的宏量制備，阻礙了其實際應用，也引發(fā)科學家們持續(xù)投入研究。
來自中國科學院大連化學物理研究所的最新消息說，該所吳忠?guī)浹芯繂T團隊和合作者創(chuàng)新性研發(fā)出一種新方法，可宏量制備出提升兩個數(shù)量級的碲化鈮納米片，并證明其具有普適性，從而為二維過渡金屬碲化物材料的規(guī)模化制備提供了可能性。
科學家實現(xiàn)二維金屬碲化物材料宏量制備的效果示意圖。中國科學院大連化學物理研究所/供圖利用該方法制備出的二維過渡金屬碲化物納米片制備的溶液和粉體具有良好的加工性能，可以作為各種功能性漿料，實現(xiàn)薄膜、絲網(wǎng)印刷器件、3D打印器件、光刻器件的高效和定制化加工等，有望在高性能量子器件、柔性電子、微型超級電容器、電池、催化、電磁屏蔽、復合材料等方向發(fā)揮重要作用。
這項在二維過渡金屬碲化物材料宏量制備方向上取得重要突破性進展的成果論文，由吳忠?guī)泩F隊攜手中國科學院深圳先進技術研究院和中國科學院金屬研究所成會明院士、北京大學電子學院康寧副教授合作完成，北京時間4月3日深夜在國際著名學術期刊《自然》上線發(fā)表。審稿人評價稱，該方法簡單、快速、高效，對二維材料的宏量制備具有普適意義。
吳忠?guī)浹芯繂T介紹說，二維過渡金屬碲化物材料由碲原子和過渡金屬原子(如鉬、鎢、鈮等)組成，其微觀結構類似于“三明治”，過渡金屬原子被上下兩層的碲原子“夾”住，形成層狀二維材料。例如，過渡金屬碲化物具有高導電性和大比表面積，可作為高性能超級電容器和電池的電極材料；過渡金屬碲化物納米片表面具有豐富可調的活性位點，可用做制備綠氫和雙氧水的電催化劑，提高催化劑的選擇性、效率和性能；該材料還展現(xiàn)出特有的量子現(xiàn)象，如超導和巨磁電阻等，可作為下一代低功耗器件和高密度磁性存儲器件的材料。
宏量化可控制備二維過渡金屬碲化物納米片的樣品展示。中國科學院大連化學物理研究所/供圖二維過渡金屬碲化物材料一般采用“自上而下”的制備方法，如同拆解積木，通過機械力或化學作用方式將其一層一層剝離下來，從而制備出單層的二維納米片。常用的“自上而下”方法有化學插層剝離法、球磨法、膠帶剝離法、液相超聲法等，其中化學插層剝離法的剝離效率雖然最高，但剝離仍需要數(shù)小時?？茖W家們大多采用有機鋰試劑作為插層劑，即將含有鋰離子的插層劑插入塊體層狀結構材料的片層中，并利用鋰和水的反應使插層劑“膨脹”，在每一層間形成一個“氣壓柱”，將疊在一起的納米片層層“撐開”，就如同使用了一把“化學刮刀”一層一層地將納米片“刮”下來，這種層間的氣體膨脹作用力遠大于機械剝離力，可以提高剝離效率。然而，有機鋰是一種易燃易爆的液體試劑，具有很大的安全隱患，因此，實現(xiàn)安全、高效的化學剝離成為科學家努力的目標。
吳忠?guī)浿赋?，在本項研究中，科研團隊創(chuàng)新性采用固相化學插層剝離方法，篩選出一種固相插層試劑硼氫化鋰。硼氫化鋰具有強還原性質，在干燥空氣中穩(wěn)定，可用于高溫固相插鋰反應，解決了插層反應速度慢的問題，從而實現(xiàn)安全、高效、快速的插層剝離。整個插層剝離過程只需10分鐘，可宏量制備出百克級(108克)碲化鈮納米片，與液相化學插層剝離法制備量均小于1克比，新方法產(chǎn)量提升了兩個數(shù)量級。
科研人員利用光學顯微鏡觀察制備的過渡金屬碲化物納米片。中國科學院大連化學物理研究所/供圖隨后，科研團隊進一步利用研發(fā)的新方法，制備出5種不同過渡金屬的碲化物納米片和12種合金化合物納米片，證明其具有普適性。他們還觀察到多種特征的量子輸運現(xiàn)象，包括碲化鉬納米片具有依賴于厚度的金屬-絕緣體相變、碲化鎢納米片具有巨磁電阻和舒勃尼科夫-德哈斯效應等。(完)