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“原子積木”搭出新材料
“原子積木”搭出新材料
中科院物理所     阅读简体中文版

(原標題:【論文故事】“原子積木”搭出新材料

“變小、變小、再變小”這句咒語,仿佛在不斷推動著新材料的進步。人類每一次在材料上的突破,都促進了科技的進步。如今,科學家已經能在原子尺度上制作新材料了,像搭積木一樣,把不同單原子層材料一層層“搭”起來。

用傳統方法合成不同的單原子層二維材料時,就像玩樂高積木,積木的顆粒尺寸必須相同才能互補搭配。想將兩塊“原子積木”順利搭在一起,只能由具有十分相似的原子分布的材料組合而成,不然它們無法粘合在一起。比如,要與六邊形原子分布結構的石墨烯堆疊,研究人員需要先合成出與之相似的六方氮化硼,才能合成出含有六方氮化硼夾層的石墨烯材料。該材料可用于制造光電傳感器。

那么怎么才能將不同性質的原子材料搭在一起,獲得更豐富的材料呢?最近,北京交通大學光電子技術研究所與堪薩斯大學的研究團隊,成功地將單層石墨烯與單層二硫化鎢這兩塊“積木”,依靠范德瓦耳斯力(分子間作用力)相連,組成了新的材料,并將其應用于太陽能電池以及柔性光電子器件。研究論文[1]11月發表在了《自然·通訊》(Nature Communications)上。果殼網科學人就此對論文第一作者,北京交通大學的何家琪博士進行了采訪。

用膠帶粘出單層原子

近些年得到廣泛關注的新型單原子層材料石墨烯,擁有出色的電學性能以及機械強度等特性,對科學家有著不小的幫助。在這次研究中,研究團隊把石墨烯和單層的二硫化鎢當做了“原子積木”。石墨烯有著極高的電子遷移率,而單層的二硫化鎢可以高效吸收太陽光,并將其轉化成電能。合成的新型材料結合了這二者的特性,可以有效地提高太陽能電池的性能。

研究團隊成功將二硫化鎢(上層)與石墨烯(下層)搭在了一起。圖片來源:University of Kansas

如何獲得僅有一個原子層那么薄的材料呢?大家應該都有過用膠帶粘紙上的錯字的經歷。而制備單層石墨烯的過程與之類似——研究團隊利用透明膠帶,采用機械剝離法從石墨晶體上制備出單層的石墨烯,并轉移到一種硅的襯底上。然后,利用相同的方法,他們又得到了單層的二硫化鎢。

機械剝離的方法雖然看起來簡單,其實難度可不小。“機械剝離法的缺點主要是產物尺寸不易控制,無法可靠地制備出長度足夠的石墨烯,無法滿足工業生產的需要。”何家琪告訴科學人,“但它的優點是簡單易行,對實驗室條件要求較低,容易得到高質量的石墨烯。”

利用膠帶,采用機械剝離法得到單層石墨烯。圖片來源:sknust.de

如何把“原子積木”搭在一起?

準備好了單層原子材料石墨烯和二硫化鎢后,該如何把只有一層的“原子積木”準確地搭好?

在顯微鏡的輔助下,研究團隊精確地將石墨烯覆蓋到二硫化鎢上。為了去除制備過程中引入的不必要的雜質,他們需要將材料加熱到260℃處理半小時。這種方法可以利用材料之間的作用力將雜質擠出去,從而留下一個干凈的表面[2]。這樣,新的材料就誕生了。

通過這種方法,研究團隊讓兩個原子層通過范德瓦耳斯力——也就是分子間的微弱作用力連在一起。“由于層與層之間的作用力較弱,因此可以任選兩種材料,并將一種材料放到另外一種材料的上面。”何家琪介紹說,“這種方法可以將更多的材料粘合在一起,從而制造數量可觀的新材料。”

將材料順利搭好后,就離成功就還有一步之遙了——測試新材料是否能成為合格的異質結(作者注:兩種不同半導體材料組成的接觸界面,電荷可以在兩者之間流動),在它的崗位上把光能轉化為電能。研究團隊對其進行了超快激光光譜測量,結果發現其層間電子發生了超快且高效的轉移與復合現象。

一個新型材料終于搭建完畢,這也是世界上首次成功合成的單層石墨烯-單層二硫化鎢異質結,并對其進行了超快激光光譜測量。兩塊不合適的積木,通過范德瓦爾斯力成功搭在了一起。

好奇心不止,搭更多“原子積木”

該研究中新材料的合成,讓人們看到新型柔性太陽能電池和顯示屏幕的曙光,你的手機屏幕會快能隨意折疊了。研究團隊仍像好奇的小孩子一樣,在努力研制更多“原子積木”,如單層MoS2-MoSe2范德瓦爾斯異質結,它有更好的光電性質,可應用于光伏器件和光探測器件。說不定哪一塊積木,就會成為改變世界的那一塊。(編輯:球藻怪)

(來源:果殼網)


2015-08-23 08:43

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