CVT真空化学气相输运合成生长制备二维材料

　　材料的结构决定其性质，性质决定材料的应用。
　　纳米材料的相工程（PEN/Phase Engineering of Nanomaterials）是目前材料领域的一大研究热点。物质的原子或者分子结构对其性质有决定性的影响，而性质产生功能，功能导向应用。纳米材料的相工程正是从化学上最基础的方面，也就是纳米材料的原子和分子排布入手，通过调控原子和分子的堆叠方式来合成具有新型结构、性质以及功能的纳米材料。通常，纳米材料倾向于以热力学上最稳定的形态存在，比如金通常都是以最稳定的面心立方（fcc）结构存在。但是，在纳米甚至亚纳米尺度上，由于表面能开始主导体系能量，这就使我们可以通过调控材料的表面能来实现对纳米材料原子分子排列方式的调控。虽然纳米材料的热力学稳定结构通常只有一种，但是亚稳态结构（包括亚稳态晶型结构和无定形结构）却有很多种。纳米材料的相工程研究将极大地丰富基础纳米材料的种类，拓宽纳米科技在材料合成、性质研究、以及实际应用上的广度和深度。纳米材料特别是碳材料、金属、合金、过渡金属硫族化合物（TMD）、氧化物、磷化物、碳化物、硼化物、金属有机框架（MOF）和共价有机框架（COF）等等都在纳米材料相工程上体现出了无穷的研究潜力。
　　除了组成，形貌，结构，晶面，尺寸和维度外，相已成为了材料重要的结构参数，它决定了纳米材料的特性和功能。特别地，材料的非常规相难以出现在块体材料中，但是在纳米材料中非常规相具有吸引人的特性和新型应用。纳米材料的相工程（PEN）已经取得了巨大的进步，这其中包括对具有非常规相的纳米材料的合成和纳米材料的相变。该综述概述了PEN的最新进展。作者们以贵金属和层状过渡金属二硫化物为典型例子，讨论了用于合成具有非常规相的纳米材料并诱导纳米材料相变的各种策略。此外，作者们还着重介绍了非晶态纳米材料以及基于非晶相和结晶相的异质纳米结构制备方面的最新进展。最后，作者们还提供有关此新兴领域中存在的挑战和机遇，包括探索与相相关的特性和应用，合理设计基于相的异质结构以及将相工程的概念扩展到更广泛的材料。
　　纳米材料研究蓬勃发展在继石墨烯之后，具有多种非常规亚稳相（metastable）的过渡金属二硫化物　（TMDs/Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）被视为极具潜力的新一代二维纳米材料。由于TMDs晶体结构复杂多变，令科学界一直难以提炼出高纯度的非常规亚稳相TMD材料用作科研。由于二维层状材料具有独特的物理及化学特性，兼可从中分离出超薄的单层纳米物料，近年来一直是科学研究的热点。除了早已被广泛研究的石墨烯，新一代二维层状纳米材料如TMDs也备受关注，尤其是具有＂亚稳相＂（又叫热力学非稳定相）结构的八面体（1T相）及扭曲八面体（1T′相）TMDs。由于它们具备特异的半金属或金属特性，使其成为在光电子器件、催化、储能及超导等应用领域中极具潜质的理想材料。
　　由于上述TMDs属亚稳相材料，意味着它们并非处于热力学上最稳定的状态，故其晶体结构复杂兼有多种变化，具有多种不同的＂晶相（结构）＂，使科学家们在研究时屡遇困难。因为无论在自然界还是实验室里，这类TMD材料都经常以混合物形态出现，即不同的晶相结构混杂其中，有欠纯正，极不利于对其本征的物理化学性质进行科学研究。来自世界各地的科学家们曾针对此类TMD材料的合成尝试过不同的合成方法，包括化学/电化学碱金属离子插层、胶体合成、水热合成、电子束辐照、机械应变、等离子体热电子或化学气相沉积等技术，除了制成品往往质素欠佳之外，其产量亦远不足应付需求。
　　日前由国际知名科学家领导的一支合作研究团队终于突破难关，研发了一种崭新的合成生长制备技术（SHIWEI是维--CVT真空化学气相输运合成生长系统），通过结合密闭系统制备前驱体和气固相反应原理，采用CVT真空化学气相输运合成生长制备系统，成功地大量制造出多种高纯度、高质量的非常规亚稳相TMD材料，并解析了其中四种材料详细的单晶晶体结构。
　　在团队长期投入和深入研究中，研究团队经过持续不懈的努力，终于找到了突破性创新方法，成功地解决上述的制备困难。突破创新的关键点是运用此前研究积累中发现的一类特殊的＂前驱体（Precursor）＂，它们在合成非常规1T′相TMD材料的＂气固相反应＂（Gas-solid Reaction）中，起到至关重要的作用，但制造该类前驱体极其不易。团队经多番尝试后，最终利用高真空密封无缝石英管作为实验原材料的反应容器，采用SHIWEI是维--CVT真空化学气相输运合成生长系统，终于在高温环境下成功地制备出一系列重要的＂前驱体＂。研究人员继而使用该类前驱体于H2和Ar混合氛围下进行气固相反应，最终高效且大量地合成了六种具有高质量和高纯度的非常规1T′相TMD晶体。
　　研究团队经过持续不懈的努力，终于找到了突破前人的创新方法，成功地解决上述的制备困难。突破的关键是团队在以往的研究积累中发现了一类特殊的＂前驱体（precursor）＂，它们在合成非常规1T′相TMD材料的＂气固相反应＂（gas-solid reaction）中，起到至关重要的作用，但制造该类前驱体极其不易。团队经多番尝试后，最终采用SHIWEI是维--CVT真空化学气相输运合成生长系统&高真空密封石英管作为实验原材料的反应容器，终于在高温环境下成功地制备出一系列重要的＂前驱体＂。研究人员继而使用该类前驱体于H2和Ar混合氛围下进行气固相反应，最终高效且大量地合成了六种具有高质量和高纯度的非常规1T′相TMD晶体。
　　研究团队相信这项创新的合成技术可抛砖引玉，吸引更多科学家尝试合成更多种类的非常规亚稳相纳米物料，并且对其超卓的光电、储能及超导性等进行更多、更深入的研究，发掘它们在实际应用上的无限可能。
　　关于SHIWEI--CVT真空化学气相输运合成生长系统：为合成生长制备高性能的低维纳米材料，采用真空化学气相输制备（CVT/Chemical Vapor Transport）是目前广泛采用的方式，该方法原理既可用于高温真空固相合成材料，又可利用高真空CVT法合成前驱体及生长高质量晶体材料，具有快速可控、易于操作、成本低、效率高、生长晶体质量高的突出特点，目前被广泛应用于二维材料、半导体材料、电子材料、光电材料、热电材料、新能源材料、超导材料、量子材料等科学研究和工艺生长。
　　近年来，碲（Te）作为一种基本材料，因其高载流子迁移率、有趣的拓扑特性和优异的环境稳定性而受到广泛关注。然而，由于其固有的螺旋链结构，传统的合成方法难以获得具有高结晶质量的二维（2D）Te。某课题组已经报道了一种通过一步SHIWEI是维--CVT真空化学气相输运合成生长系统可控合成高质量二维Te纳米薄片的简便方法。该方法通过精确调整由温度决定的生长动力学，可以实现横向尺寸高达40 μm且结晶度高的碲纳米薄片。该团队还Te纳米薄片的二次谐波产生进行了研究，结果表明该材料可以用作倍频晶体，并在非线性光学器件中具有潜在的应用。此外，基于该二维Te纳米薄片制造的场效应晶体管器件表现出优异的电学性能，并具有379 cm2 V-1 s-1的高迁移率。
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