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亚稳相二硫化钼的制备、结构解析及基本物性研究获进展

  以二硫化钼(MoS2)为代表的层状过渡金属硫化物(TMDs)是继石墨烯之后的二维材料新星,其具有可调节的半导体电子结构、高载流子迁移率、量子自旋霍尔效应和谷磁电效应等一系列奇异的物理特性,引起了科学家极大的研究兴趣。单层或少层MoS2可广泛应用于开发下一代场效应晶体管、光电探测器和传感器等高性能纳米器件。MoS2有多种不同的晶体结构,包括2H、3R、1T’和1T相等。其中1T’和1T MoS2为金属相,具有良好的导电性,在电催化产氢、锂电池、钠电池以及超级电容器等能源储存方面具有优异的性能。然而,它们都是热力学亚稳相,在高温、激光辐照等外界作用下易转变成2H相。因此,制备纯相1T’和1T MoS2极具挑战。

  近日,中国科学院上海硅酸盐研究所光电转换材料与器件课题组、上海微系统与信息技术研究所超导中心以及北京大学化学院合作研究,首先采用高温固相策略合成出高结晶性的LiMoS2晶体,再利用饱和乙腈碘溶液对LiMoS2晶体进行氧化处理,首次制备出1T MoS2晶体。该过程产生的化学驱动力促使Li离子从MoS2层间脱出,而钼的八面体配位方式仍然保持,最终可得到结晶性良好的1T MoS2单晶。同时,具有超导特性的1T MoS2的晶体结构首次被解析。

  相关研究成果以Structure Re-Determination and Superconductivity Observation of Bulk 1T MoS2为题,发表于国际期刊《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 1232–1235)上,论文共同第一作者为上海硅酸盐所在读研究生方裕强和潘杰,共同通讯作者为研究员黄富强、副研究员林天全和牟刚。该研究成果进一步揭示了MoS2亚稳相的新奇物理特性,拓展了其在凝聚态物理和新能源领域的研究和应用。

  针对现有方法制备出的1T MoS2纳米片存在2H、1T和1T’等多种杂相共存的难题,近年来,光电转换材料与器件课题组发展出通过剥离高温固相合成的高质量LiMoS2晶体而获得高纯度的1T/1T’ MoS2纳米片甚至单晶材料。该方法已经拓展至其它过渡金属二硫化物纳米片的制备,如NbS2、TaS2、TiS2等。

  上述系列研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院和上海市科委等的资助。

  剥离高温固相合成高质量LiMoS2晶体并制得高纯度1T/1T’ MoS2纳米片甚至单晶材料(a)剥离示意图(b)LiMoS2晶体的SEM图像(c)1T’ MoS2的高分辨原子图像