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Nature | 中国科学院大连化物所实现二维金属碲化物材料宏量制备

来源:大连化物所      2024-04-04
导读:近日,中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组(508组)吴忠帅研究员团队,与中国科学院深圳先进技术研究院、中国科学院金属研究所成会明院士团队,以及北京大学康宁副教授团队合作,在二维过渡金属碲化物材料的宏量制备方面取得重要进展,为金属碲化物二维材料的物性研究与能源应用等提供了可能性。

近日,中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组(508组)吴忠帅研究员团队,与中国科学院深圳先进技术研究院、中国科学院金属研究所成会明院士团队,以及北京大学康宁副教授团队合作,在二维过渡金属碲化物材料的宏量制备方面取得重要进展,为金属碲化物二维材料的物性研究与能源应用等提供了可能性。

二维过渡金属碲化物(TMT)是一类新兴的二维材料,是国际公认的基础性、前瞻性和战略性材料体系。TMT材料如WTe2MoTe2,属于经典的量子材料,可以用于研究多种新颖物理性质。例如,WTe2具有极大的磁阻和拓扑非平凡相,MoTe2具有铁电和超导特性等。

目前,“自上而下”的方法通常被用来大规模生产纳米片,但该方法制备TMT纳米片存在插层反应能垒高、插层反应低效、剥离效率低、安全性差等问题。例如,球磨和液相剥离制备的纳米片具有亚微米横向尺寸和较差的可重复性,总体质量不高导致其应用受限。电化学插层剥离需要制备的电极为大块单晶或者将层状材料刮涂在导电衬底上,难以实现大规模制备。化学插层剥离涉及到有机锂作为插层试剂,但有机锂具有易燃易爆的性质并且需要在负压或者手套箱中操作,这对实验设备要求非常高并且不安全。因此,安全、可重复和可扩展的合成技术是将TMT纳米片从实验室推广到实际应用的技术瓶颈。

本工作中,吴忠帅团队提出了一种固相化学插层剥离新方法,通过高温固相反应降低插层反应的活化能,创新性地筛选出了一种固相插层试剂——硼氢化锂,硼氢化锂具有强还原性质,在干燥空气中稳定,可用于实现高温固相插锂反应,克服了插层反应速度慢的问题,从而实现安全、高效、快速的插层剥离。整个插层剥离过程只需短短10分钟,可宏量制备出百克级(108克)的碲化铌纳米片,与此前研究制备量均小于1克比,提升了两个数量级。重要的是,该方法具有普适性,此方法成功制备出了五种不同过渡金属的碲化物纳米片(MoTe2WTe2NbTe2TaTe2TiTe2)和十二种合金化合物纳米片,丰富了二维材料体系库,实现了材料功能化、定制化制备。此外,团队还观察到多种有趣量子现象,例如MoTe2纳米片具有依赖于厚度的金属-绝缘体相变,WTe2纳米片具有巨磁电阻和舒勃尼科夫-德哈斯效应等。


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