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赖斯“闪现”了新的2D素材

亚稳态金属纳米粒子可以在电子和光学领域得到应用

莱斯大学的科学家们已经将他们的技术扩展到瞬间生产石墨烯,以调整其他2D材料的性能。

化学家James Tour和材料理论家Boris Yakobson的实验室在美国化学学会的ACS Nano上报告说,他们成功地“闪过”了大量的2D二卤代烷,将它们从半导体变成了金属。

这种材料在电子、催化和润滑剂等方面都很有价值。

Rice University scientists extended their technique to produce graphene in a flash to tailor the properties of 2D dichalcogenides molybdenum disulfide and tungsten disulfide, quickly turning them into metastable metallics for electronic and optical applications. (Credit: Tour Group/Rice University)

莱斯大学的科学家将他们的技术扩展到瞬间生产石墨烯,以调整二维二卤代化合物二硫化钼和二硫化钨的性质,迅速将它们转化为电子和光学应用的亚稳态金属。由旅行团提供

该过程使用闪光焦耳加热
2使用一个电荷戏剧性地提高材料的温度
2转换二硫化钼和二硫化钨半导体。脉冲的持续时间和选择的添加剂也可以控制现金属产品的性能。

图尔说:“这种快速的过程使我们能够大规模生产一种全新的高价值材料,而不需要使用溶剂或水。”

从上面看,二维二卤代烷看起来像六边形石墨烯,但从另一个角度看,则显示出一个三明治状结构。例如,在二硫化钼中,一个钼原子的单一平面位于硫的相似但相互抵消的平面之间。

研究人员称,在金属相(被称为1T)中制造每一种材料之前需要更复杂的过程。即使这样,产物在环境条件下也不稳定。闪光焦耳加热似乎解决了这个问题,在千分之一秒内产生亚稳定的二卤代烷。

An electron microscope image shows tungsten disulfide in its metastable 1T state. The orange dots represent sulfur atoms, the blue represent tungsten. Rice University scientists used flash Joule heating to tailor the properties of 2D dichalcogenides, quickly turning them into metastable metallics for electronic and optical applications. (Credit: Tour Group/Rice University)

电子显微镜图像显示二硫化钨处于亚稳态1T状态。橙色的点代表硫原子,蓝色的点代表钨原子。由旅行团提供

粉状的、商品化的二卤代化合物与炭黑或钨粉混合以增加其导电性,被放置在一个覆有电极的陶瓷管中,用超过1350安培的功率在瞬间闪过,然后迅速冷却。当管子处于真空状态时,多余的气体被排出,剩下的大部分是纯金属。

根据Yakobson团队的计算,大的能量输入迫使结构缺陷出现在材料的晶格中,增加了负电荷,使1T相成为热力学上的优先相。

“这是Le Chatelier’s原理有趣的快进体现:在电压下,材料转变为更具导电性的1T阶段,以抵消/减少施加的电场,”合作者Ksenia Bets说,他是Yakobson小组的研究员。“我们详细的计算表明,动力学路径是间接的:升华的硫产生了一个富含空位的晶格,在能量上更倾向于1T结构。”

事实上,条件和添加剂会影响最终产品,这应该导致对可能的变化的系统研究,图尔说。

莱斯大学研究生陈伟银(音译)是这篇论文的主要作者。其他合著者有赖斯研究生王哲、Emily McHugh、Wala Algozeeb和陈金航;博士后研究人员luduy Xuan Luong, Bing Deng;任慕青、迈克尔·斯坦福;助理研究员郭华;研究人员高冠辉;本科生李天慈(John Tianci Li)和威廉·卡斯滕(William Carsten)。

图尔是T.T.和Chao W.F.化学讲座教授,同时也是计算机科学、材料科学和纳米工程教授。Yakobson是材料科学和纳米工程的Karl F. Hasselmann教授和化学教授。

美国空军科学研究办公室、能源部国家能源技术实验室和能源部基础能源科学部门支持了这项研究。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.rice.edu/2021/01/11/rice-flashes-new-2d-materials-2/