新加坡国立大学新研制原子薄2D材料

此示意图逐步描述了如何形成典型的Ta 7 S 12 ic-2D材料

国立大学的研究人员使用一种新颖且功能强大的方法来设计过渡金属二卤化金属的组成，从而创建了一个全新的原子薄的二维（2D）材料。

原子上薄的材料为探索广泛的有趣物理特性提供了一个平台，并且可以提供许多未来的应用。例如，“过渡金属二卤化硅单分子层”是原子薄的半导体，其经倾斜可带来下一代晶体管，太阳能电池，LED等。

过渡金属二硫化碳单分子层的形式为MX 2，其中“ M”为元素周期表过渡区中的金属原子，“ X”为硫属元素原子（例如S，Se或Te）。但是，微调2D过渡金属二卤化钨的成分以制备除标准化合物以外的新材料通常是一项挑战。

现在，由NUS Chemistry的 Loh Kian Ping 教授和NUS Materials Science and Engineering的 Stephen J. Pennycook教授领导的研究小组首次合成和表征了原子薄材料图集，该图集是基于将相同的金属原子插入两个过渡金属二卤化物单层。

这种插入称为嵌入，因此研究人员将这个新的库命名为“ ic-2D”，以表示一类材料，其中原子自身“嵌入”到晶体层之间的间隙中。

研究人员的结果发表于2020年5月13日的《自然》杂志上。

创造一种新的原子薄材料

“如果我们将两层过渡金属二卤化二硫醚稍微分开，我们可以看到硫族元素的位置像鸡蛋架一样具有狭缝。另一层金属原子可以以与我们在蛋架中排列蛋的方式占据缝隙的方式。这是ic-2D材料的魔力。” Pennycook教授解释说。

这是涉及过渡金属二卤化物的新思路。过去，理论学家曾尝试根据材料中金属和硫属元素原子的传统键合位置预测新特性。但是，当两个金属之间的缝隙中存在相同的金属原子时，他们的理论并未解决这种情况。

因此，研究团队开发了一种通过提供金属原子超过硫族元素的条件来合成新型材料的方法。通过这种方式，研究小组已通过实验发现了10多种不同类型的ic-2D材料，其中一些是铁磁性的。

发现ic-2D材料

研究小组进行的理论计算表明，由NUS研究人员开发的“自嵌入”方法适用于一大类2D分层材料。这意味着有一个新的ic-2D材料库正在等待发现。

“这种用于工程设计广泛种类过渡金属二硫属元素组成的新方法提供了一种强大的方法，可以将分层的2D材料转换为具有铁磁特性的超薄，共价键合的ic-2D晶体。这项技术有望与大多数材料生长方法兼容。” Loh教授说，他也是来自国大高级二维材料中心。

该论文的第一作者赵晓旭博士用电子显微镜揭示了这种新型材料，发现嵌入的金属原子始终占据相同的空位，从而根据嵌入的浓度产生不同的图案。

Loh教授评论说：“凭借成分控制的多功能性，我们已经表明可以在一类材料中调整可能发生巨大变化的特性。这一发现展现了超薄的2D材料的丰富前景，等待着新特性的进一步发现。”

下一步

展望未来，研究团队计划将这种新的材料库整合到实际应用的存储设备中，并插入外来原子以开发新颖的功能化ic-2D材料。