PPT科研繪圖 - 宮勇吉/吳凱，最新Nature Synthesis！－鑽石舞台

成果介紹

二維(2D)材料由於具有獨特的物理和化學性質，近年來引起了人們的廣泛關注。特別地，這些原子薄材料(ATMs)體系為探索催化、磁性、超導和二維極限下的拓撲性質提供了理想的平台。因此，可控制備高質量的二維ATM已成為探索其相關應用的先決條件，目前仍然存在一個巨大的合成挑戰。

北京航空航天大學宮勇吉教授、北京大學吳凱教授等人提出了一種熔劑輔助生長(FAG)策略，來可靠、可控地製備高質量的ATMs，如金屬硫族化合物、氧化物、鹵氧化物和磷硫化物。均勻的熔劑保證了前驅體的均勻分布，而空間限制則有利於產物形成超薄結構。利用這一方法，可以成功合成80種原子薄複合片狀材料，包括48種三元或四元層狀材料、23種非層狀材料。此外，同樣的方法還可以用於製備大片單晶或連續的薄膜材料。本文提出的溶劑-結晶機制為製備具有良好的化學計量控制和非層狀結構的ATMs提供了極大的可能性。

相關工作以《Flux-assisted growth of atomically thin materials》為題在《Nature Synthesis》上發表論文。

圖文介紹

圖1 FAG的生長過程及合成機理

如圖1a所示，顯示了FAG的生長過程，前驅體粉末被壓縮在兩片雲母晶體片之間。在熱處理過程中，整個裝置在Ar、H2/Ar或大氣環境下進行助熔劑結晶。材料在兩個雲母晶體的接觸面上進行生長。熔劑前驅體如Te、MnCl2、FeCl2、KI和其他鹵化物鹽被用來降低反應材料的熔點和輔助原子薄薄片的結晶。

根據有無熔劑，分為兩種不同的生長模式，即無熔劑結晶和熔劑輔助結晶。熔劑輔助結晶過程可以劃分為：共晶熔化(第1階段)、成核和生長(第2階段)和形成超薄薄片(第3階段)。在第1階段，溶劑和溶質在共晶熔點以上熔化。隨着生長的進行，具有較高蒸氣壓的溶劑部分蒸發，導致溶液在高溫下發生過飽和。因此，在第2階段，二維薄片開始成核和結晶。最後，大部分溶劑揮發，超薄薄片留在基質上(第3階段)。

在傳統的化學氣相沉積(CVD)中，生長過程直接由前驅體蒸氣壓所決定。如圖1c所示，CVD中的蒸氣壓與其反應溫度和前體-底物距離密切相關。因此，這兩個參數的輕微變化可能引發劇烈的蒸汽壓力波動，導致在合成多元素ATMs時產生不必要的副產物。相比之下，FAG依賴於熔劑結晶過程，這可以用典型的二元相圖(圖1d)來解釋，其中形成的均勻液相熔劑是材料生長的關鍵。因此，FAG方法對外部實驗參數不敏感，具有高重複性和在較寬的溫度範圍內工作的能力，即高於共晶溫度和低於目標產物的分解溫度。

表1 一些二維材料的分類以及相關性質

圖2 80種不同的ATMs的光學圖像與大尺寸晶體的合成

這種方便而穩定的生長機制為合成種類繁多、物理性質豐富的材料創造了機會。為此，採用FAG方法製備了80種不同的ATMs，包括12種雙金屬硫化物和3種雙金屬化合物，12種金屬磷硫化物，24種金屬硫化物，22種金屬鹵氧化物，2種金屬氧硫化物和8種金屬氧化物。

圖3 四種代表性的二維材料的結構和化學分析

為了評估由FAG方法得到的ATMs的結晶度，在此評估了四種二維ATMs，包括Fe3GeTe2、Fe5GeTe2、MnPS3和CuInP2S6。相應的STEM圖像顯示，未見明顯缺陷和晶格變形，說明樣品結晶性高。同時，對應的晶面間距、原子陣列結構與理論模型相一致，EDS譜圖也證實了四個樣品中元素分布均勻。以上結果表明FAG方法能夠精確地調整元素的化學計量，可用於合成多元素化合物。