下一代合成共價(jià)二維材料亮相

曼徹斯特大學(xué)國(guó)家石墨烯研究所的一個(gè)研究小組已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種合成二維材料的新方法，這種材料被認(rèn)為是不可能的，或者至少是目前技術(shù)無(wú)法獲得的。

石墨烯是世界上第一個(gè)二維材料，隨后打開(kāi)了隔離其他二維材料的大門(mén)。

石墨烯和其他2-D材料通常具有被稱(chēng)為“大量類(lèi)似物”的3-D對(duì)應(yīng)物。例如，石墨烯是源自石墨的單層碳原子。

最近，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注制造不具有分層本體類(lèi)似物的合成2-D材料。研究人員已經(jīng)開(kāi)始研究沒(méi)有3D對(duì)應(yīng)物的二維材料。

傳統(tǒng)上，2-D材料通過(guò)稱(chēng)為機(jī)械剝離的過(guò)程分離 - 對(duì)散裝材料進(jìn)行分離并使層彼此剝離，直到實(shí)現(xiàn)單層。

與這些層狀晶體相反，那些沒(méi)有層狀結(jié)構(gòu)的材料通過(guò)原子平面之間的共價(jià)鍵保持在一起，這不允許機(jī)械剝離。

正如Nano Letters發(fā)表的那樣，通過(guò)使用化學(xué)轉(zhuǎn)換，該大學(xué)的團(tuán)隊(duì)能夠?qū)F(xiàn)有的分層材料層轉(zhuǎn)換為新的共價(jià)二維材料。例如，機(jī)械剝離的2-D硒化銦(InSe)被轉(zhuǎn)化為原子級(jí)薄的氟化銦(InF3)，其具有非層狀結(jié)構(gòu)，因此不能通過(guò)氟化過(guò)程通過(guò)剝離獲得。

實(shí)際上，所提出的二維材料的化學(xué)轉(zhuǎn)化策略只不過(guò)是通過(guò)化學(xué)改性將現(xiàn)有二維材料的原子層縫合在一起。

獲得的新的2-D氟化銦是半導(dǎo)體，在可見(jiàn)光和紅外光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出高光學(xué)透明度，并且可能用作2-D玻璃。

國(guó)家石墨烯研究所和化學(xué)工程與分析科學(xué)系的Rahul Nair教授領(lǐng)導(dǎo)該團(tuán)隊(duì)說(shuō)：“材料的化學(xué)改性已被證明是獲得具有所需和常常不尋常特性的新材料的有力工具。還有進(jìn)一步的工作為理解原子尺度的二維材料的化學(xué)轉(zhuǎn)化，包括相對(duì)取向和各原子層之間的協(xié)同作用對(duì)其化學(xué)反應(yīng)性的影響。我們相信我們的工作在材料科學(xué)方面取得了重大進(jìn)展，是一個(gè)明確的里程碑在人工二維材料的開(kāi)發(fā)中。“

領(lǐng)導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的Vishnu Sreepal和本文的第一作者說(shuō)：“我們的工作清楚地證明了創(chuàng)造人工二維共價(jià)材料的可能性。該過(guò)程是可控的，易于執(zhí)行且非常有效。通過(guò)精確控制厚度在開(kāi)始2-D層時(shí)，新的共價(jià)2-D材料的厚度可以用原子級(jí)精度控制。新的共價(jià)2-D材料也可以用可控制的摻雜摻雜劑“。

“我們還通過(guò)將大面積薄InSe薄膜化學(xué)轉(zhuǎn)化為InF3薄膜來(lái)證明我們方法的可擴(kuò)展性。”此外，該團(tuán)隊(duì)設(shè)想這種化學(xué)轉(zhuǎn)化可以擴(kuò)展到范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以獲得人工雜共價(jià)固體。

通過(guò)以精確選擇的序列(稱(chēng)為異質(zhì)結(jié)構(gòu))分層原子，可以創(chuàng)建具有某些特征的設(shè)計(jì)師材料，這些材料不會(huì)自然發(fā)生并提供特定的質(zhì)量。研究人員按照與堆疊樂(lè)高積木類(lèi)似的過(guò)程，按照與其預(yù)期應(yīng)用相關(guān)的順序組裝這些新材料。通過(guò)證明二維共價(jià)固體的可能性，研究人員現(xiàn)在在他們的操場(chǎng)上有更多的“legos”來(lái)創(chuàng)造具有定制特性的新材料。