中山大学合作《Nature》一种自插层新方法可以生长新型二维材料

近日，新加坡国立大学Stephen J. Pennycook教授和KianPing Loh教授与中山大学罗鑫教授（共同通讯作者）最新研究表明，在生长过程中，天然原子自插层到双层过渡金属卤化物中，产生了一类超薄的共价键合材料，称之为ic-2D。其化学计量是通过范德华间隙的八面体空位位点的周期性占用模式定义的，并且它们的性质可通过改变覆盖和填充位点的空间排布被调整。同时通过在高金属化学势进行生长，得到了一系列钽插层TaS(Se)y，其中包括25％Ta插层的Ta9S16，33.3％Ta插层的Ta7S12，50％Ta插层Ta10S16，66.7％Ta插层的Ta8Se12（形成Kagome晶格）和100％Ta插层的Ta9Se12。此外还证明了，自嵌入的V11S16，In11Se16和FexTey可以在富金属条件下生长。本文的工作建立了一种自插层的新方法，可以生长具有化学计量或成分相关特性的新型2D材料。相关论文以题为“Engineering covalently bonded 2D layered materials byself-intercalation”于2020年5月13日发表在Nature上。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2241-9

对二维（2D）材料的研究持续增加使得一种新的凝聚态物理学分支产生，其主要涉及原子薄结构中电子的描述。迄今为止，研究工作主要集中在2D单分子层及其异质堆积结构上，其中新的性质可以通过产生不同摩尔纹波长的超晶格来实现。然而，这些异质堆积结构目前是由自下而上的方法产生的，这些方法往往是低产量的，并且表现出较差的重现性。另一种成分调谐方法是将外来原子插入到由硫族原子夹在的范德华（vdW）间隙中。具体来讲，过渡金属卤化物（TMDs）含有八面体和四面体的空位或者三角棱柱体的空位，从而为各种插层物提供了对接点。在此基础上，成功的插层物包括碱金属，如Li、Na和K；过渡金属，如Cu、Co、Ni、Fe和Nb；贵金属，如Ag、Au和Pt；以及Sn和各种有机分子。来自插层物的电荷转移或由于重原子的存在而增加的自旋轨道耦合可以增强超导电性、热电性或自旋极化。无论是在电化学的还是固态中，插层通常是通过后生长、扩散受限的过程实现的。

但这种方法很难得到具有长期结晶有序的准确插层相，同时插层原子的密度和空间分布与插层化合物的介观性质有关的插层相图目前还缺乏。与外来原子插层到TMD相比，在TMD中存在的原生原子的插层很少受到关注。这种自插层TMD化合物可能作为局部能量最小值存在于插层相图的区域，其中富金属化学计量学是由高化学势金属原子参与的生长条件促进的。然而，迄今为止，利用高金属化学势的TMDs的生长窗口仍未被探索。

在这项工作中，作者研究了在高金属化学势下使用分子束外延（MBE）和化学气相沉积（CVD）方法的二维TMDs生长。研究表明，与所使用的生长方法无关，富含金属的化学势会促进金属（M）自插层MX，MX2或M2X3层状2D化合物（M=金属，X=硫族元素），生成共价键合的MxXy化合物，称此类材料为ic-2D。以TaS2为例，插层Ta原子占据vdW间隙中的八面体空位，形成不同的形貌图案，并通过原子分辨率扫描透射电子显微镜-环形暗场（STEM–ADF）成像得到验证。通过改变vdW间隙中插层原子与八面体空位的比率，得到TaxSy或TaxSey膜，并使用σ（插层原子占据的初始总空位的百分比）量化了Ta嵌入的程度。研究结果揭示了自插层是一类广泛的vdW晶体的常见现象，它提供了一种强有力的方法，通过这种方法将层状2D材料转化为具有铁磁特性的超薄、共价键合的ic-2D晶体。

图1.TaS2晶体中的自嵌入

图2.不同浓度Ta插层 的TaxSy和TaxSey

图3.插层Ta的Ta7S12 ic-2D晶体中的铁磁性

图4.ic-2D晶体库

总而言之，本文开发了一种强有力的方法，通过在生长过程中与天然金属原子的自插层来设计一种广泛的TMDs的组成。同时由于该技术的主要原理是利用金属原子的高化学势过程中的插层提供驱动力，因此这种技术应该与大多数生长方法兼容。这项工作的意义在于，可以将双层（或更厚的）TMD转变为超薄的，共价键合的3D材料，其化学计量可以通过改变嵌入剂的浓度在较大范围内进行调整。（文：Caspar）

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