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Adv. Funct. Mater. 综述：二维过渡贵金属硫族化合物的研究进展

2019-10-14

【引言】

二维过渡金属硫族化合物（TMDs）受到研究者的追捧，主要是因为以下三个优点：

1. 弱范德瓦尔斯相互作用和表面悬空键的缺乏使异质结的构建变得容易，从而消除了严格的热和晶格匹配要求。

2. 一些单层TMDS中的反转对称性缺失和自旋-轨道耦合为研究能谷电子学和制造自旋电子器件提供了一个新的平台。

3. 一些TMDs（例如，2H MoS₂，2H WSe₂）随着层数减少到单层，表现出间接带隙到直接带隙的跃迁，这可以应用于各种光电领域，例如光电探测器、光伏器件和发光器件。

近年来，贵金属TMDS（NTMDs）作为新的2D材料被重新引入，显示出许多优异的特性，包括宽的可调带隙、较高的载流子迁移率、各向异性和超高的空气稳定性。与大多数d轨道电子较少的TMDs不同，NTMDs的d轨道几乎被完全占据，层间硫族元素原子的P_z轨道高度杂化，导致强的层依赖性和层间相互作用。例如，PtS₂被预测具有0.25-1.6 eV的层依赖性带隙，桥接了石墨烯和大多数具有大间隙的TMDs之间的带隙。此外，基于PtS₂、PtSe₂和PdSe₂场效应晶体管（FET）的迁移率被证明至少达到200 cm² V^-1s^-1大于大多数其它TMDs。此外，NTMDs具有很高的空气稳定性，例如，经过5个月的空气暴露后，PtSe₂场效应管的性能几乎保持不变。特别地，PdS₂和PdSe₂具有新颖的折叠的五边形结构，表现出非常有趣的各向异性，这可能带来更多有趣的物理现象和应用。PtTe₂和PdTe₂是II型狄拉克费米子，为研究与拓扑相变和手性异常有关的新型传输提供了良好的平台。

【成果简介】

近日，华中科技大学翟天佑教授课题组对NTMDs的研究进展进行了综述汇总，并且以题为“Recent Progress on 2D Noble-Transition-Metal Dichalcogenides”发表在Adv. Funct. Mater.上。

【图文简介】

本文重点介绍PtS₂, PtSe₂, PdS₂, PdSe₂, PtTe₂, and PdTe₂等二维NTMDs的最新研究进展。首先对2D NTMD_S的结构及其转变进行了简要的综述。然后，综述了近年来它们的制备方法的一些进展，包括机械剥离、化学气相沉积（CVD）、分子束外延（MBE），以及所制备的2D NTMDs作为场效应晶体管、光电探测器、催化和传感器的高性能候选材料的性能。最后，回顾了这些新兴的2D NTMD_S存在的挑战和未来的前景。

图1 二维 NTMDs的晶体结构

图2 二维NTMDs的各向异性光学和振动特性

图3 二维NTMDs的相转变

图4 二维NTMDs的电子结构

图5 二维NTMDs的单晶生长和机械剥落

图6二维NTMDs的化学气相沉积

图7 典型的二维NTMDs的层相关室温迁移率

图8 二维NTMDs场效应晶体管

图9二维NTMDs光电探测器

图10 二维NTMDs催化

图11 二维NTMDs传感器

【小结】

近年来，新兴的具有丰富的d轨道电子的2D NTMDs，表现出值得注意的本征性质，如极强的层间电子杂化，褶皱的五边形结构，多样的相转变，以及超高的迁移率和空气稳定性。本文综述了2D NTMDs近年来的研究进展，包括结构表征（晶体结构、电子结构、光学振动和多种相转变）、制备方法（CVD和机械剥离）以及潜在的应用（场效应晶体管、光电探测器、催化和传感器），这表明它们的多用途和可调制的特性，以及在下一代纳米电子学中的广泛应用。然而，尽管2D NTMDs的发展非常迅速，但它目前仍然处于起步阶段并存在许多挑战。文中列出了研究者对这个蓬勃发展的领域中的关键挑战和一些潜在研究方向的看法，具体如下：

1. 结合2D NTMDs的不同的二元相、丰富的电学相（金属相、半导体相和超导相）和多种晶相（2H、1T和黄铁矿），并深入了解其具有多种控制因素的相变机理，更多关于二维NTMDs的新相可能在实验上被证明并用来进一步探索其可控相变工程。

2. 二维PdS₂晶体在理论上被证明是应用于FET的理想沟道材料，但是由于材料制备的局限性，仍然缺乏PdS₂的相关电学研究。此外，理论计算具有宽的可调带隙、高吸收系数和相对高的迁移率的一些动力学稳定的新型NTMDs，例如Pd₂Se₃和PtSSe，在光电子和光催化领域具有很大的潜力，应该被进一步研究。

3. 由于2D NTMDs具有非常强的层相关电学性能，因此需要进一步开发CVD方法来精确地控制高质量NTMDs纳米片的厚度和尺寸，这是更好地调制其电学和光电性能的先决条件。此外，基于二维NTMD_S的横向和垂直异质结构的原位CVD生长应得到解决，这相比机械转移的异质结可能带来一些新的物理性质。此外，为了满足工业化的需要，仍需要探索一些有效的合成方法，如液相合成法，以合成大量的原子级别均匀的NTMDs。

4. 用于逻辑电路器件和催化的NTMDs的可控掺杂仍然是一个难题。设计新的掺杂途径来控制缺陷密度和p型与n型转变也是重要且具有挑战性的问题。

5. 基于二维NTMDs丰富的电学相变，探索通过开发各种同质结来降低接触电阻并进一步改善室温载流子迁移率仍具有重要的意义。

6. 在偏振光学研究时，应进一步确认与PdS₂和PdSe₂的厚度和激发波长相关的偏振拉曼因子，并开发新的有效手段来增强其在平面内的各向异性，如异质结的构建和栅压调制。

文献链接：Recent Progress on 2D Noble-Transition-Metal Dichalcogenides, 2019, Adv. Funct. Mater., DOI: 10.1002/adfm.201904932.

翟天佑，华中科技大学二级教授，材料成形与模具技术国家重点实验室副主任，国家杰出青年基金获得者，科技部中青年科技创新领军人才，全球高被引科学家，英国皇家化学会会士，国家优秀青年基金获得者，湖北省创新群体负责人，曾获国家自然科学二等奖，中国化学会青年化学奖和湖北青年五四奖章。

2003 年本科毕业于郑州大学化学系，2008 年博士毕业于中国科学院化学研究所，师从姚建年院士。2008-2012 年在日本物质材料研究机构先后任 JSPS 博士后(合作导师 Yoshio Bando 教授)和 ICYS 研究员。主要从事二维材料与光电器件方面的研究，以第一或通讯作者身份在 Chem. Soc. Rev. (3), Prog. Mater. Sci. (2), Adv. Mater. (20), Angew. Chem. Int. Ed. (3), JACS (2), Nat. Commun. (3), Adv. Funct. Mater. (27), ACS Nano (6) 等期刊上发表论文 180 余篇。所有论文被 SCI 期刊引用 13300 余次，H 因子 61。主持编纂英文专著 1 本，受邀撰写两本专著中的 5 章；申请中国和日本专利 15 项，授权 6 项。担任《InfoMat》和《Frontiers in Chemistry》副主编，《科学通报》、《高等学校化学学报》、《无机化学学报》和《无机材料学报》编委。

团队网址：zml.mat.hust.edu.cn

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