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二維量子片普適和規模制備研究取得進展

2019-06-11 國家納米科學中心
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  二維(材料)量子片是二維材料和量子體系不斷發展和交叉的產物,由于其兼具二維材料的本征特性以及量子限域和突出的邊緣效應,因此受到廣泛關注。然而二維量子片的制備方法紛繁蕪雜,各具特色,卻始終未見報道同時具有普適性和規模化的制備策略。普適和規模制備方法的缺失,一方面極大限制了二維量子片的工業化應用;另一方面使得系統深入研究二維量子片的性質陷入困境。顯然,二維量子片普適和規模制備方法的建立具有重大的理論和現實意義。

  中國科學院國家納米科學中心張勇課題組前期成功實現了過渡金屬二硫族化合物本征量子片的規模制備(Nano Lett. 2017, 17, 7767-7772)。該制備方法結合鹽輔助球磨和超聲輔助溶劑剝離,雖然實現了規模化制備,不過仍然具有局限性。相比于過渡金屬二硫族化合物(如二硫化鉬、二硫化鎢等,面內斷裂強度16-30 GPa),石墨和氮化硼具有更高的面內斷裂強度(如單層石墨烯的面內斷裂強度高達130 GPa;少層氮化硼的面內斷裂強度高達70 GPa)。因此,直接由(未經任何處理的)本體層狀材料出發,通過全物理(如全機械/力)過程,實現二維量子片的普適和規模制備,具有巨大的挑戰性。

  近期,張勇課題組聯合劉新風課題組以及北京大學高鵬課題組和中科院化學研究所車延科課題組合作攻關,實現了二維材料量子片的普適和規模制備。由石墨、氮化硼、二硫化鉬、二硫化鎢本體層狀材料出發,通過硅球輔助球磨和超聲輔助溶劑剝離相結合的全物理方式,成功實現了石墨烯量子片、氮化硼量子片、二硫化鉬量子片、二硫化鎢量子片的規模制備。單循環產率分別高達35.533.630.228.2 wt%,比現有方法提高了1-2個數量級,為二維量子片的工業化應用奠定了堅實基礎。所得二維量子片均為本征結構,為探索其原初性質并揭示內在機理提供了極大便利。這種普適和規模制備方法的建立,使得在相同協議/標準上建設二維量子片完整數據庫/圖書館成為可能,勢必會加速二維材料量子片的全面和細致探索。上述各種量子片在溶液和薄膜中均具有良好的分散性,而且展示出優異的性能。如固態熒光,壽命為納秒量級,達到實用化要求;非線性飽和吸收,絕對調制深度高達59%,相對調制深度高達89%,與單層石墨烯相當;飽和強度低至sub-10 kW/cm2 (sub-1 nJ/cm2),比之前報道降低了1-2個數量級。相關研究成果以內封面形式發表在Materials Horizons (Mater. Horiz. 2019, DOI: 10.1039/c9mh00272c)上。制備方法已申請中國發明專利。

  該研究得到國家自然科學基金、中科院人才計劃和國家納米科學中心啟動基金的支持。

    論文鏈接

 

二維材料量子片普適和規模制備

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