二維材料看似消失，其實沒有！

時間：2016-02-20

	


	兩種不同類型的二碲化鉬單分子層樣品的光學圖像：


	（a）強發(fā)光二碲化鉬薄片維持其亮度可**過8天


	（b）弱發(fā)光二碲化鉬在幾天內就消散，部分完全消失


	當放置在空氣中幾天后，一種發(fā)光的二維材料——二碲化鉬 (MoTe2)似乎分解掉了，失去了光學對比度變得幾乎透明。在科學家進一步探索后發(fā)現(xiàn)這種類似“消失”的現(xiàn)象只是個錯覺：這種材料仍然保持著穩(wěn)定的結構，只不過是它的一些材料屬性發(fā)生了改變。這種現(xiàn)象也揭開了一種被稱為過渡金屬二化物的新型二維材料的某些特殊性質以及它的環(huán)境穩(wěn)定性等問題。來自美國亞利桑那州立大學的副教授 SefaattinTongay，同時也是這項項目的主要研究人員，較近在美國化學學會主辦的《Nano》雜志上發(fā)表了一篇關于改變發(fā)光的文章。
 
“如今，遍布世界的眾多科學家正在向人們展示二維材料體系令人印象深刻的和非常有前景的概念性創(chuàng)意應用，然而，我們目前還不知道這類材料在長時間內的穩(wěn)定性如何”Tongay說道：“我們這項研究采用了一個非常特殊的例子，二碲化鉬，一一個具有紅外區(qū)域帶隙的過渡金屬二化物”。
 
就像其他的過渡金屬二化物一樣，二碲化鉬也具有**的光學特性，當處于宏觀體貌時，過渡金屬二化物是不發(fā)光的，當從這種體貌材料上剝落只有一個原子層厚度的薄片時，這種二維的薄片才會變成半導體并且發(fā)出強光?；谶@些原因，具有半導體性質的二維的過渡金屬二化物在光電工程和太陽能轉化技術方面有著廣泛的應用潛力。作為一一個具有紅外區(qū)域帶隙的過渡金屬二化物，二碲化鉬尤其適合用作紅外檢測器和隧道場效應晶體管。
 
由于二維材料具有很大的比表面積，因此它們的性質能夠通過表面與環(huán)境的相互作用發(fā)生改變。值得注意的是，碲化合物對氧氣較其敏感，該項目的研究人員研究了當二碲化鉬暴露在氧氣氛圍中幾天后會發(fā)生什么現(xiàn)象。
 
研究人員一開始在一個裝有紅外鏡頭的光學顯微鏡下觀察這種材料，他們發(fā)現(xiàn)發(fā)強光的二碲化鉬薄片可以維持亮度**過8天，另一方面，發(fā)弱光薄片出人意料的在1~3天內就消退了，并且有一部分最后完全的消失了。然而，當利用原子力學顯微鏡觀察這種“消失”的薄片時，研究人員又重新看到了消失的薄片。這種薄片在較開始的地方并沒有消失，只是它的光學性質發(fā)生了改變，然而其化學結構還保持穩(wěn)定。
 
研究人員猜想發(fā)弱光的薄片看似消失的原因可能是因為它們含有大量的缺陷所致，尤其是因為原子缺失造成的空位缺陷。這些空位缺陷的存在也正是造成薄片一開始就具有一個很弱的發(fā)光，這也解釋了為什么當它們置于氧氣中會失去發(fā)光性?？諝庵械难鯕鈺度氲竭@些缺陷當中并且與鉬原子和碲原子結合形成一種主要誘捕電子和空穴的“深態(tài)”，能夠有效的阻止發(fā)光。而那些強發(fā)光的薄片只有少量的缺陷，因此它們不會吸收大量的氧氣分子，也就不會失去發(fā)光性，其光學特性與在真空環(huán)境中表現(xiàn)出的性質保持接近。
 
“這項研究證明了二碲化鉬中一點點缺陷的存在都會對它們的性質產生很大的影響，例如光學性質、電學性質，并且這些變化和陳釀葡萄酒一樣通常都是伴隨著時間逐漸發(fā)生的。根據(jù)缺陷密度的不同，二碲化鉬單分子層會隨著時間逐漸損壞（或者變得較好）”。 Tongay 解釋道。
 
該項研究結果表明缺陷對于二碲化鉬的光學特性和穩(wěn)定性有很大的影響，同時還揭示了其他二維材料的環(huán)境穩(wěn)定性問題，例如二維的硅烯、二維的磷等一些其他的二維過渡金屬二化物。這也為控制或者調節(jié)這些材料的性質提供了一種思路。
 
“這是一項非常重要的發(fā)現(xiàn)，因為它實際上暗示我們可以通過控制二維的二碲化鉬這種材料內的缺陷密度調控它的光學特性，和通過改善這種材料的結晶性能從而防止它失去其固有屬性，”亞利桑那州立大學的博士生，同時是該文章**作者的Bin Chen說道。
 
接下來，研究人員計劃去探索其他的二維材料體系的穩(wěn)定性，同時利用已有的或故意創(chuàng)造的缺陷點通過分子功能化去提升這種材料的性能。“盡管這些材料具有鼓舞人心的性質和令人印象深刻的應用，然而我們的實驗結果卻表明在一個月的觀察時間內這種材料并不具有很好的環(huán)境穩(wěn)定性，”Chen說道：“我們需要去理解這些問題并且利用材料科學與工程方面的知識和專業(yè)技能去克服這些問題帶來的挑戰(zhàn)”。

來源：材料與測試


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