张勇课题组本征量子片规模制备研究取得重要进展

发布时间:2017-12-26

  二维材料的出现被视为二十一世纪材料领域的里程碑事件,其发现者也毫无悬念地被授予诺贝尔奖。二维材料自问世以来,人们一方面致力于拓展二维材料的横向尺寸,以充分发挥二维材料的结构和性能优势;另一方面,人们也不断尝试减小二维材料的横向尺寸,以逐渐显露二维材料的边缘和量子效应。作为二维材料体系和量子体系不断发展和交叉的产物,量子片近年来引起了广泛关注。由于其横向尺寸一般小于20纳米,因此量子片不仅具有二维材料的本征特性,还具有量子限域和突出的边缘效应。 

  过渡金属二硫族化合物(TMDs)是一类有着非凡性能和巨大潜力的二维材料。作为最具代表性的TMDs,二硫化钼(MoS2)和二硫化钨(WS2)已经被广泛研究。其量子片的制备分为自下而上和自上而下两种方式。自下而上的制备方式往往需要苛刻的反应条件以及繁杂的后处理;自上而下的制备方式得到的量子片通常产率极低。此外,这两种制备方式都面临着如何避免缺陷产生从而获得本征量子片的重大挑战。 

  国家纳米科学中心张勇课题组联合刘新风课题组以及北京大学高鹏课题组合作攻关,发明了一种可大规模制备无缺陷的本征MoS2WS2量子片的新技术。通过对本体原材料依次进行盐辅助的球磨、超声辅助的溶剂剥离等措施,以25.5 wt% 20.1 wt%的极高产率分别制备出了无缺陷的本征MoS2WS2量子片。收集量子片粉末后,通过再分散的方式进一步实现了量子片在多种溶剂中的高浓度(20 mg/mL)分散。在PMMA薄膜中负载0.1 wt%的这种量子片,即可大大提升其光学性质,比负载纳米片的薄膜提高了近一个数量级。该制备技术具有非常好的普适性,对于二维量子片的大规模生产具有重要意义,将会大大促进对二维量子片材料应用的全面探索。相关研究成果日前以“High-yield production of MoS2 and WS2 quantum sheets from their bulk materials”为题发表在Nano LettersNano Lett. 2017, 17, 7767-7772)上。制备方法已申请中国发明专利(申请号:201610892821.X)。论文链接:http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b03968 

  该研究工作得到了国家纳米科学中心启动基金、中国科学院百人计划和国家自然科学基金的支持。

                                                                                        图:MoS2和WS2量子片制备机理示意图。