二维材料的一维纳米带

自石墨烯被发现以来,二维材料研究成为一个新的研究热点。当二维材料制备成一维纳米带结构后,由于宽度方向上的限域效应和边缘结构的差异,导致其具有区别于二维材料的独特的电学、光学和磁学性质,因此逐步成为科学家关注的焦点。本文主要介绍了石墨烯、石墨炔、联苯烯、氮化硼、黑磷、过渡金属二硫族化合物等二维材料的一维纳米带的结构、制备方法和性能研究。首先讨论了二维材料制备成一维纳米带后的结构与性能的改变;其次,着重阐述了典型的纳米带制备方法,包括“自上而下”和“自下而上”两种策略,如二维片层刻蚀、打开纳米管、化学合成、化学气相沉积、外延生长及碳纳米管限域生长等方法,实现可控制备指定纳米宽度与具有特定边缘结构的纳米带,最终获得不同于其二维材料本体的特殊性能。最后,总结了不同方法制备纳米带的优缺点,提出了需要克服的困难和挑战,并展望了未来的研究方向,希望能引起国内外同行的广泛关注。     

基于二维材料及其范德瓦尔斯异质结的光电探测器

近些年来,石墨烯、黑磷和过渡金属二硫化物以及其他二维材料受到了越来越多的关注。凭借其独特的结构和优异的电学、光学特性,这些二维材料在光电器件中得到了广泛应用,具有良好的发展潜力。本文概述了二维材料在光电探测器领域的最新研究进展,介绍了一些常见的二维材料及其制备方法,阐述了光电探测器件的基本原理和评价参数,以及回顾了二维材料及其异质结构在光电探测器中的应用,最后总结了该领域仍然面临的挑战并对其未来的发展方向进行了展望。     

二维黑磷的结构、制备和性能

磷有多种同素异构体: 红磷、白磷、黑磷, 其中黑磷热力学稳定. 二维材料因其低维效应而备受关注, 而近期二维黑磷的成功制备使其成为二维材料的新成员. 二维黑磷是带隙可调的片层结构半导体材料, 在光电领域有很大的潜力, 因而备受瞩目. 本文大量引用参考文献, 综述了黑磷的结构、制备方法, 并详细介绍了二维黑磷的各种性质及其器件性能的研究, 以及化学稳定性及防降解措施. 最后分析了二维黑磷的研究发展趋势.     

二维硫化钼基原子晶体材料的化学气相沉积法制备及其器件

二维过渡族金属硫属化合物因其带隙具有强烈的层数依赖性而在电子器件方面具有广泛的应用前景.其中单层二硫化钼(MoS₂)是该系列材料中最典型的一种直接带隙半导体,它具有优异的光、电、磁、热和力学性能.二维MoS₂有望在光电探测、光伏器件、场效应晶体管、存储器件、谷电子和自旋器件、温差电器件、微纳机电器件和系统等方面得以广泛应用.化学气相沉积(CVD)法已成为制备二维过渡族金属硫属化合物如MoS₂、MoSe₂、WS₂和WSe₂等原子层薄膜的主要手段,尤其科学界利用CVD法对二维MoS₂材料进行了深入的制备探索,通过该方法制备的MoS₂薄膜在电子和光电器件方面已经有广泛研究.本文将从二维MoS₂的基本物性出发,详细介绍CVD法制备MoS₂的各种工艺过程,如热分解硫代硫酸盐法、硫化Mo(MoO_3-x)薄膜制备法、MoO_3-x粉体与硫属前驱体气相合成法和钼箔表面直接硫化法,并介绍了基于MoS₂的二维异质结构筑方法.在制备材料的基础上,详细阐述了二维MoS₂在场效应晶体管、光电探测器、柔性电子器件以及异质结器件方面的应用,并展望了二维材料在半导体器件中的应用前景.     

提升二维材料的电催化析氢和光催化析氢性能的策略（英文）

世界能源危机问题和环境问题日益突出,寻找低廉、易得且能够替代化石的清洁能源是目前研究的热点.氢气具有可再生性、安全、高能量密度、环境友好型等优点,因而成为替代化石燃料的首选.在众多途径中,电催化产氢和光催化产氢是目前应用较广且比较成熟的方法,其工艺过程简单、无污染,但由于效率较低或生产成本较高等因素,其大规模应用受到一定的限制.因此,开发高效的析氢催化剂意义重大.迄今为止,贵金属铂是公认的最好的析氢催化剂,但其稀有性和价格高阻碍了大规模的商业应用.因此,寻找高效、稳定、价格合理的析氢催化剂迫在眉睫.近年来,已研究和设计了很多析氢催化材料,其中,二维材料以其独特的物理化学性质(如电子在二维空间内快速移动、超薄结构、较大的比表面积等)引起了科学家的兴趣.但实际研究的二维材料的析氢性能与理论值相比还有很大的差距.因此,提高二维材料的导电性、增加活性位点、提高光电催化剂的循环稳定性是提升其性能的关键.本文综述了四种二维材料(二硫化钼、石墨烯、过渡金属碳氮化物、黑磷)在析氢方面的最新研究进展,包括(1)二维材料的合成方法,(2)二维材料析氢性能,(3)析氢催化机理.并从三个方面总结了提升二维材料析氢性能的策略:(1)缺陷位工程,(2)异质结策略,(3)金属及非金属杂原子掺杂.在提高二维材料的策略方面,本文着重讨论了d带理论、状态密度和费米能级,为更多二维析氢催化材料的制备提供了有效的指导.最后,本文分析了二维催化剂领域目前面临的问题和挑战,展望了未来的发展趋势.     

黑磷的制备及表征研究

黑磷是一种具有高的载流子迁移率、高的通断比,带隙为0.3~2 eV的二维材料,对中红外、近红外新型光电器件的开发具有十分重要的意义.本文利用高能球磨法和化学气相转移法成功将红磷转化为黑磷,并进行液相剥离,得到了一层或两层的磷烯.利用X射线衍射仪、透射电子显微镜、差示扫描量热仪对其微观结构和稳定性进行了研究,并表征了化学气相转移法制备黑磷的电学性能.结果表明：高能球磨法制备的黑磷尺寸小、结晶度低,样品中有红磷存在,稳定性差.化学气相转移法制备的黑磷尺寸大、结晶度好、纯度高,且较为稳定.此方法制备的黑磷可成为剥离磷烯的优异原料,进而应用于先进微电子器件.     

石墨烯基分离膜研究进展

石墨烯为单层平面碳原子以sp~2杂化方式紧密结合在一起形成的二维原子晶体,可作为基本材料构筑各种不同性能的宏观二维分离膜,是目前膜分离研究领域的一颗崭亮新星。本文重点介绍了各种石墨烯基分离膜的制备方法,并对其在水处理、气体分离、海水淡化等方向的应用研究进行评述。相比于传统高分子基分离膜,石墨烯分离膜在抗污染性能、膜通量以及选择性方面均有提升。除此之外,本文对基于其他新兴二维材料——氮化硼(BN)、二硫化钼(MoS_2)以及二硫化钨(WS_2)等的分离膜研究也进行了前瞻性讨论。最后,对石墨烯基膜的应用机遇和挑战作出评价,同时对其发展前景作出展望。     

二维材料限域单原子催化剂研究进展（英文）

近年来,单一原子或单一位点催化剂因其独特的结构和电子特性受到催化研究人员的广泛关注.目前,多种无机固体材料被用作限域该类单原子催化剂,包括传统的金属氧化物、沸石分子筛以及金属有机框架配合物等.载体的性质会显著地影响单原子的催化性能,因此具有独特物理化学性质的二维材料无疑是限域单原子的一类理想介质,并逐渐引起了人们在该领域的研究兴趣.二维材料兴起于石墨烯的成功剥离,随后其他类似物如氮化硼、氮化碳以及二硫化钼等蓬勃发展起来.结构简单明确且性质独特的二维材料自身就是一类新颖的催化剂,其与单原子的结合将会为催化带来更多新的可能.二维材料限域单原子催化剂的潜在优势如下:(1)二维材料独特的电子结构对单原子中心的电子特性有显著的调变作用,使其催化性能更为独特;(2)二维材料通常具有巨大的比表面积,这允许其锚定更多的单原子从而显著提高其活性位密度;(3)单原子层二维材料有利于反应物分子从双向接触其表面限域的单原子位点,增加碰撞几率并降低传质阻力;(4)二维材料限域单原子催化剂可被视为理想的模型催化剂,其结构均一的活性中心有利于催化剂构效关系的研究;(5)二维材料限域的单原子能够反过来促进或激活二维材料的本征催化活性.在这里,我们总结了二维材料限域单原子催化剂的最新进展,其中二维材料主要涉及石墨烯、氮化碳和硫化钼.我们围绕在二维材料限域单原子催化剂中什么是真正的活性位点及其如何协同催化等问题进行了讨论,进而展望了二维材料限域单原子催化剂的应用前景和挑战.     

二维材料限域单原子催化剂研究进展

近年来,单一原子或单一位点催化剂因其独特的结构和电子特性受到催化研究人员的广泛关注.目前,多种无机固体材料被用作限域该类单原子催化剂,包括传统的金属氧化物、沸石分子筛以及金属有机框架配合物等.载体的性质会显著地影响单原子的催化性能,因此具有独特物理化学性质的二维材料无疑是限域单原子的一类理想介质,并逐渐引起了人们在该领域的研究兴趣.二维材料兴起于石墨烯的成功剥离,随后其他类似物如氮化硼、氮化碳以及二硫化钼等蓬勃发展起来.结构简单明确且性质独特的二维材料自身就是一类新颖的催化剂,其与单原子的结合将会为催化带来更多新的可能.二维材料限域单原子催化剂的潜在优势如下:(1)二维材料独特的电子结构对单原子中心的电子特性有显著的调变作用,使其催化性能更为独特;(2)二维材料通常具有巨大的比表面积,这允许其锚定更多的单原子从而显著提高其活性位密度;(3)单原子层二维材料有利于反应物分子从双向接触其表面限域的单原子位点,增加碰撞几率并降低传质阻力;(4)二维材料限域单原子催化剂可被视为理想的模型催化剂,其结构均一的活性中心有利于催化剂构效关系的研究;(5)二维材料限域的单原子能够反过来促进或激活二维材料的本征催化活性.在这里,我们总结了二维材料限域单原子催化剂的最新进展,其中二维材料主要涉及石墨烯、氮化碳和硫化钼.我们围绕在二维材料限域单原子催化剂中什么是真正的活性位点及其如何协同催化等问题进行了讨论,进而展望了二维材料限域单原子催化剂的应用前景和挑战.     

二维黑磷基纳米材料在光催化中的应用

黑磷是继石墨烯之后又一种新型的单元素二维材料。具有独特的层状结构、超高的载流子迁移率和由层厚调控的禁带宽度,在光催化领域具有广阔的应用前景。然而,单一黑磷材料的禁带宽度较窄( ≤ 1.5 eV),光生载流子极易复合,导致其光催化性能较低。另外,黑磷表面的磷原子易与环境中的氧气发生反应形成P_xO_y,降低了黑磷材料的稳定性。因此,较低的催化性能和不稳定性极大地限制了黑磷材料的实际应用。针对上述问题,可以通过将黑磷材料与其他材料复合形成一系列的等离子体复合材料和多维异质结的方式,来提高光催化剂的活性和循环稳定性。本文综述了近年来二维黑磷纳米片与金属、半导体和碳材料等复合后形成的复合材料在光催化裂解水产氢、降解有机污染物、CO₂还原和固氮等方面的研究进展。最后,对未来二维黑磷基光催化材料的研究方向进行了分析和展望。     

黑磷的发现及其制备和应用发展史

1914年,美国物理学家布里奇曼无意间制得了黑磷并证明了这是磷的一种新的相变体,但在很长的一段时间内并没有引起人们的关注.20世纪中期以后,黑磷的制备方法得到了一定程度的发展.至2014年,研究者成功制备了二维黑磷场效应晶体管,随后人们发现黑磷在储能设备、光电子器件、光催化、生物传感等方面都有巨大的应用潜力.随着黑磷制...     

新型二维功能材料及衍生物的设计和制备

二维功能材料的制备方法常见的有以下几种:机械剥离或液相剥离具有面间弱相互作用、面内强共价键合作用的层状材料生成单层或少数层的二维材料;化学合成法;LangmuirBlodgett单分子膜技术法;层层自组装法;化学气相沉积法;分子束外延法和原子层沉积技术法。这些材料及其有机-高分子衍生物具有独特的结构特征和优异的性质,在场效应晶体管、光调制器、锁模和Q开关激光、光限幅、信息和能源存储、射频器件、化学传感器等领域具有重要的潜在应用价值。近年来,除了众所周知的石墨烯外,其他诸如类石墨烯的无机纳米材料(六方氮化硼、过渡金属卤化物、石墨化氮化碳、层状金属氧化物等)、二维聚合物、金属-有机框架、钙钛矿、黑磷等二维材料也被广泛研究或探索。开发或探索更多二维材料应用的关键是设计和制备新颖的二维材料及其有机-高分子衍生物。在不久的将来,兼具规模经济和功能行为的二维材料化学的突破将极大地驱动新型二维材料应用领域的拓展。本文综述了二维材料的基本概念、研究进展、亟待解决的关键问题和未来的发展趋势。     

二维材料用于渗透能转换的研究进展

在河水与海水的交界处实现渗透能提取与捕获是解决未来能源危机的重要方式之一. 渗透能因为储量大, 容易获取以及绿色可持续的优势受到广泛关注. 反向电渗析技术是一种能够有效捕获渗透能的方法之一, 目前已经得到了深入的研究与发展. 离子交换膜是反向电渗析技术转换渗透能的关键组件, 其性能的优异程度决定能量转换效率的高低. 常见的膜材料主要是高分子聚合物及其改性化合物, 最近一些二维材料如石墨烯、 氧化石墨烯、 二硫化钼、 各种框架材料及其改性复合物因优异的选择性离子传输、 纳米级通道、 丰富的表面功能基团以及可修饰性成为捕获渗透能的重要膜材料. 本文综合评述了二维材料作为离子传输通道的类型以及相应的传输机理; 例举了二维材料及其复合物的设计方案和在渗透能转换方面的具体应用; 最后提出了目前二维材料在渗透能转换领域中面临的挑战以及未来的发展方向.     

新型二维功能材料及衍生物的设计和制备

二维功能材料的制备方法常见的有以下几种:(1)机械剥离或液相剥离具有面间弱相互作用、面内强共价键合作用的层状材料生成单层或少数层的二维材料;(2)化学合成方法;(3)Langmuir-Blodgett单分子膜技术法;(4)层层自组装法;(5)化学气相沉积法;(6)分子束外延法和(7)原子层沉积技术法。这些材料及其有机-高分子衍生物具有独特的结构特征和优异的性质,在场效应晶体管、光调制器、锁模和Q开关激光、光限幅、信息和能源存储、射频器件、化学传感器等领域具有重要的潜在应用价值。近年来,除了众所周知的石墨烯外,其他诸如类石墨烯的无机纳米材料(六方氮化硼、过渡金属卤化物、石墨化氮化碳、层状金属氧化物等)、二维聚合物、金属-有机框架、钙钛矿、黑磷等二维材料也被广泛研究或探索。开发或探索更多二维材料应用的关键是设计和制备新颖的二维材料和它们的有机-高分子衍生物。在不久的将来,兼具规模经济和功能行为的二维材料化学的突破将极大地驱动新型二维材料应用领域的拓展。本文综述了二维材料的基本概念、研究进展、亟待解决的关键问题和未来的发展趋势。     

二维光子晶体

光子晶体是一种介电常数周期变化的功能材料,其基本特征是具有光子带隙。光子晶体理论诞生已三十年,基于理论及实验的研究取得了许多成绩。当所制备的光子带隙与光波的波长相当时,光子晶体材料抑制光子在一定频段内的传播。由于在光学、电学、热学、磁学等方面均有优良特性和潜在应用,光子晶体作为一种新型材料也越来越受到科研人员的青睐。不论在可加工性方面还是在传播特性方面,二维光子晶体的优势正逐渐体现出来。本文重点阐述二维光子晶体的研究进展,分别介绍了二维光子晶体的结构与性能特点以及近年来发展出的新型制备方法,如自组装法、刻蚀法、多光束干涉法等,并着重列举其在传感器、波导、光纤、太赫兹技术等领域的发展现状,表明二维光子晶体作为超材料具有巨大的发展空间和潜力。最后,本文对二维光子晶体今后的研究方向和发展前景作了展望。     

像“折纸”一样操控双层二硫化钼电子态

<正>复旦大学物理系吴施伟、刘韡韬课题组与龚新高的计算组合作,通过"折纸"方式,研究与天然结构截然不同的二硫化钼双层材料,实现了对二硫化钼能带结构、能谷、自旋电子态等物理特性的操控。相关研究成果8月31日在线发表于《自然—纳米技术》。以二硫化钼为典型的过渡金属二硫属化物是近年来国际上最受关注的二维量子功能材料之一。二硫化钼具有与单原子厚度的"神奇材料"石墨烯类似的二维层状结构,是一种层状的晶体矿物。深入理解其内在机制,对能带结构、能谷等物理特性进行量子操控,对凝聚态物理学与未来新型的电子学、     

块状和少层黑磷的合成

正黑磷(Black Phosphorus,BP)具有层状结构,而少层黑磷作为一种二维材料,则具有各向异性和随层数可调的性质。与石墨烯相比,黑磷具有可调的带隙;而与过渡金属二硫化物相比,黑磷具有较高的载流子迁移率,因此黑磷在半导体领域崭露头角。黑磷亦具有光热特性和优异的生物相容性,在生物领域如肿瘤治疗等方面应用前景广阔。此     

二维GeSe_2面内各向异性及短波偏振光探测研究

<正>作为一种新型的二维半导体材料,黑磷因其独特的面内各向异性引起了研究人员的广泛关注~1。近期,几种其它面内各向异性二维材料(如ReS_2、ReSe_2、SnS、GeSe等)也被相继报道~(2–5)。此类材料独特的面内各向异性使其区别于以往的石墨烯、MoS_2等面内各向同性二维材料,表现出特殊的电学、光学、机械和热学性能,并被成功应用于集成电路中的反相器、基于晶向的二极管、人造突     

基于二维材料的III族氮化物外延

III族氮化物合金因其宽广的可调能隙和优良的光电性能,在照明、电力电子、通讯、能源等领域有巨大优势,促使其材料制备技术不断发展.如何解决III族氮化物异质外延过程中晶格及热胀失配对材料质量的影响,是当前的研究重点.近年来,二维材料作为一类新兴材料受到了极大的关注.借助二维材料层间弱键合的特性,有望降低III族氮化物的制备成本、提高晶体质量,并实现柔性器件的制备,从而将其应用领域拓宽至可穿戴器件、可折叠器件等.本文综述了近年来国内外在二维材料上制备III族氮化物的研究报道,介绍了石墨烯、六方氮化硼、过渡金属硫族化物等二维材料上制备氮化物的各种尝试和成果,总结了二维材料上III族氮化物制备的特点,并对其未来发展趋势做了展望.     

基于二维材料的Ⅲ族氮化物外延

Ⅲ族氮化物合金因其宽广的可调能隙和优良的光电性能,在照明、电力电子、通讯、能源等领域有巨大优势,促使其材料制备技术不断发展.如何解决Ⅲ族氮化物异质外延过程中晶格及热胀失配对材料质量的影响,是当前的研究重点.近年来,二维材料作为一类新兴材料受到了极大的关注.借助二维材料层间弱键合的特性,有望降低Ⅲ族氮化物的制备成本、提高晶体质量,并实现柔性器件的制备,从而将其应用领域拓宽至可穿戴器件、可折叠器件等.本文综述了近年来国内外在二维材料上制备Ⅲ族氮化物的研究报道,介绍了石墨烯、六方氮化硼、过渡金属硫族化物等二维材料上制备氮化物的各种尝试和成果,总结了二维材料上Ⅲ族氮化物制备的特点,并对其未来发展趋势做了展望.