二維層狀材料及其研究現(xiàn)狀

  繼單層石墨烯被發(fā)現(xiàn)后，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)了越來越多的類石墨烯材料，因此開啟了二維材料科學(xué)研究的先河。如圖1為**二維材料的示意圖，其中主要包括石墨烯、TMDs、h-BN及黑磷等。其中 TMDs由于其帶隙的適中性而被科學(xué)家們倍加關(guān)注，因此也成為新一代材料領(lǐng)域研究的一大熱潮。

  二維TMDs主要表現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)，是由平面疊加形成，且層與層之間通過范德華力相聯(lián)系，相鄰的層與層之間距離大概為0.65 nm。TMDs可以用MX2來表示，其中M和X分別表示過渡金屬和硫族元素。簡單來說，TMDs具有**的X-M-X式的三明治結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)金屬原子與硫?qū)僭�子配位的方式的不同，化合物主要表現(xiàn)為三種結(jié)構(gòu)，其中包括八面體和三菱柱配位等。然而根據(jù)化合物不同的堆疊方式，又可分為三方對稱、六方對稱以及菱形對稱這三種不同結(jié)構(gòu)，其也可以縮寫表示為1T、2H以及3R結(jié)構(gòu)。如圖2所示，1T晶體結(jié)構(gòu)的配位方式是按照Abc...堆積;2H晶體結(jié)構(gòu)是按照AbABaB順序堆疊;3R晶體結(jié)構(gòu)是按照AbACaCBaB配位方式堆疊。 在以上這三種結(jié)構(gòu)當(dāng)中，2H結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。其中常見結(jié)構(gòu)為1T和2H相，但是由于這兩種相中金屬原子的場環(huán)境不一樣，從而導(dǎo)致這兩個相表現(xiàn)出不一樣的電子特性。比如2H相的WS2和MoS2都是半導(dǎo)體，但是1T相的它們則都表現(xiàn)出金屬特性。不同的制備方式也會形成不一樣的相結(jié)構(gòu)，比如機(jī)械剝離產(chǎn)生的MoS2大部分都是呈現(xiàn)出2H相結(jié)構(gòu)，但是通過溶液法制備出來的MoS2則是2H和1T相結(jié)構(gòu)共存。硫?qū)倩�合物元素組合的不同也會呈現(xiàn)出不一樣的穩(wěn)定相，例如大部分情況下MoS2是2H相結(jié)構(gòu)，而1T相結(jié)構(gòu)的MoS2則表現(xiàn)出亞穩(wěn)金屬相，其在一定環(huán)境下會相變?yōu)楦�加穩(wěn)定的2H相。

  過渡金屬硫?qū)倩�合物�?/span>TMDs)不僅有**的電學(xué)性質(zhì)，比如良好的導(dǎo)電性、高的開關(guān)比等，而且引人注目的是 TMDs材料的能帶可以根據(jù)需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)控，這也大大有利于可調(diào)控器件的應(yīng)用。圖3 （a）和（b）分別為計算的不同層數(shù)MoS2和 WS2的能帶結(jié)構(gòu)，可見其都屬于間接帶隙。塊狀MoS2的能帶價帶頂和導(dǎo)帶底位于空間的兩個不同點(diǎn)，而單層MoS2的價帶頂和導(dǎo)帶底位于空間的同一K點(diǎn)，即變成了直接帶隙結(jié)構(gòu)。層數(shù)減少，結(jié)構(gòu)將從間接帶隙變?yōu)橹苯訋�隙。正是由于這些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，MoS2、WS2等過渡金屬硫?qū)倩�合物材料被廣泛應(yīng)用在光催化、鎖模等光電科學(xué)領(lǐng)域。

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