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【论文故事】“原子积木”搭出新材料

“变小、变小、再变小”这句咒语,仿佛在不断推动着新材料的进步。人类每一次在材料上的突破,都促进了科技的进步。如今,科学家已经能在原子尺度上制作新材料了,像搭积木一样,把不同单原子层材料一层层“搭”起来。

用传统方法合成不同的单原子层二维材料时,就像玩乐高积木,积木的颗粒尺寸必须相同才能互补搭配。想将两块“原子积木”顺利搭在一起,只能由具有十分相似的原子分布的材料组合而成,不然它们无法粘合在一起。比如,要与六边形原子分布结构的石墨烯堆叠,研究人员需要先合成出与之相似的六方氮化硼,才能合成出含有六方氮化硼夹层的石墨烯材料。该材料可用于制造光电传感器。

那么怎么才能将不同性质的原子材料搭在一起,获得更丰富的材料呢?最近,北京交通大学光电子技术研究所与堪萨斯大学的研究团队,成功地将单层石墨烯与单层二硫化钨这两块“积木”,依靠范德瓦耳斯力(分子间作用力)相连,组成了新的材料,并将其应用于太阳能电池以及柔性光电子器件。研究论文[1]11月发表在了《自然·通讯》(Nature Communications)上。果壳网科学人就此对论文第一作者,北京交通大学的何家琪博士进行了采访。

用胶带粘出单层原子

近些年得到广泛关注的新型单原子层材料石墨烯,拥有出色的电学性能以及机械强度等特性,对科学家有着不小的帮助。在这次研究中,研究团队把石墨烯和单层的二硫化钨当做了“原子积木”。石墨烯有着极高的电子迁移率,而单层的二硫化钨可以高效吸收太阳光,并将其转化成电能。合成的新型材料结合了这二者的特性,可以有效地提高太阳能电池的性能。

研究团队成功将二硫化钨(上层)与石墨烯(下层)搭在了一起。图片来源:University of Kansas

如何获得仅有一个原子层那么薄的材料呢?大家应该都有过用胶带粘纸上的错字的经历。而制备单层石墨烯的过程与之类似——研究团队利用透明胶带,采用机械剥离法从石墨晶体上制备出单层的石墨烯,并转移到一种硅的衬底上。然后,利用相同的方法,他们又得到了单层的二硫化钨。

机械剥离的方法虽然看起来简单,其实难度可不小。“机械剥离法的缺点主要是产物尺寸不易控制,无法可靠地制备出长度足够的石墨烯,无法满足工业生产的需要。”何家琪告诉科学人,“但它的优点是简单易行,对实验室条件要求较低,容易得到高质量的石墨烯。”

利用胶带,采用机械剥离法得到单层石墨烯。图片来源:sknust.de

如何把“原子积木”搭在一起?

准备好了单层原子材料石墨烯和二硫化钨后,该如何把只有一层的“原子积木”准确地搭好?

在显微镜的辅助下,研究团队精确地将石墨烯覆盖到二硫化钨上。为了去除制备过程中引入的不必要的杂质,他们需要将材料加热到260℃处理半小时。这种方法可以利用材料之间的作用力将杂质挤出去,从而留下一个干净的表面[2]。这样,新的材料就诞生了。

通过这种方法,研究团队让两个原子层通过范德瓦耳斯力——也就是分子间的微弱作用力连在一起。“由于层与层之间的作用力较弱,因此可以任选两种材料,并将一种材料放到另外一种材料的上面。”何家琪介绍说,“这种方法可以将更多的材料粘合在一起,从而制造数量可观的新材料。”

将材料顺利搭好后,就离成功就还有一步之遥了——测试新材料是否能成为合格的异质结(作者注:两种不同半导体材料组成的接触界面,电荷可以在两者之间流动),在它的岗位上把光能转化为电能。研究团队对其进行了超快激光光谱测量,结果发现其层间电子发生了超快且高效的转移与复合现象。

一个新型材料终于搭建完毕,这也是世界上首次成功合成的单层石墨烯-单层二硫化钨异质结,并对其进行了超快激光光谱测量。两块不合适的积木,通过范德瓦尔斯力成功搭在了一起。

好奇心不止,搭更多“原子积木”

该研究中新材料的合成,让人们看到新型柔性太阳能电池和显示屏幕的曙光,你的手机屏幕会快能随意折叠了。研究团队仍像好奇的小孩子一样,在努力研制更多“原子积木”,如单层MoS2-MoSe2范德瓦尔斯异质结,它有更好的光电性质,可应用于光伏器件和光探测器件。说不定哪一块积木,就会成为改变世界的那一块。(编辑:球藻怪)

参考文献:

  1. He, Jiaqi, et al. "Electron transfer and coupling in graphene–tungsten disulfide van der Waals heterostructures." Nature communications 5 (2014).
  2. http://localnews.bjtu.edu.cn/jiaoxuekeyan/2014-11-27/105561.html

​文章题图:metro.co.uk

The End

发布于2014-12-29, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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欢仔258

光学工程硕士

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