二维材料看似消失，其实没有！

时间：2016-02-20

	


	两种不同类型的二碲化钼单分子层样品的光学图像：


	（a）强发光二碲化钼薄片维持其亮度可**过8天


	（b）弱发光二碲化钼在几天内就消散，部分完全消失


	当放置在空气中几天后，一种发光的二维材料——二碲化钼 (MoTe2)似乎分解掉了，失去了光学对比度变得几乎透明。在科学家进一步探索后发现这种类似“消失”的现象只是个错觉：这种材料仍然保持着稳定的结构，只不过是它的一些材料属性发生了改变。这种现象也揭开了一种被称为过渡金属二化物的新型二维材料的某些特殊性质以及它的环境稳定性等问题。来自美国亚利桑那州立大学的副教授 SefaattinTongay，同时也是这项项目的主要研究人员，较近在美国化学学会主办的《Nano》杂志上发表了一篇关于改变发光的文章。
 
“如今，遍布世界的众多科学家正在向人们展示二维材料体系令人印象深刻的和非常有前景的概念性创意应用，然而，我们目前还不知道这类材料在长时间内的稳定性如何”Tongay说道：“我们这项研究采用了一个非常特殊的例子，二碲化钼，一一个具有红外区域带隙的过渡金属二化物”。
 
就像其他的过渡金属二化物一样，二碲化钼也具有**的光学特性，当处于宏观体貌时，过渡金属二化物是不发光的，当从这种体貌材料上剥落只有一个原子层厚度的薄片时，这种二维的薄片才会变成半导体并且发出强光。基于这些原因，具有半导体性质的二维的过渡金属二化物在光电工程和太阳能转化技术方面有着广泛的应用潜力。作为一一个具有红外区域带隙的过渡金属二化物，二碲化钼尤其适合用作红外检测器和隧道场效应晶体管。
 
由于二维材料具有很大的比表面积，因此它们的性质能够通过表面与环境的相互作用发生改变。值得注意的是，碲化合物对氧气较其敏感，该项目的研究人员研究了当二碲化钼暴露在氧气氛围中几天后会发生什么现象。
 
研究人员一开始在一个装有红外镜头的光学显微镜下观察这种材料，他们发现发强光的二碲化钼薄片可以维持亮度**过8天，另一方面，发弱光薄片出人意料的在1~3天内就消退了，并且有一部分最后完全的消失了。然而，当利用原子力学显微镜观察这种“消失”的薄片时，研究人员又重新看到了消失的薄片。这种薄片在较开始的地方并没有消失，只是它的光学性质发生了改变，然而其化学结构还保持稳定。
 
研究人员猜想发弱光的薄片看似消失的原因可能是因为它们含有大量的缺陷所致，尤其是因为原子缺失造成的空位缺陷。这些空位缺陷的存在也正是造成薄片一开始就具有一个很弱的发光，这也解释了为什么当它们置于氧气中会失去发光性。空气中的氧气会嵌入到这些缺陷当中并且与钼原子和碲原子结合形成一种主要诱捕电子和空穴的“深态”，能够有效的阻止发光。而那些强发光的薄片只有少量的缺陷，因此它们不会吸收大量的氧气分子，也就不会失去发光性，其光学特性与在真空环境中表现出的性质保持接近。
 
“这项研究证明了二碲化钼中一点点缺陷的存在都会对它们的性质产生很大的影响，例如光学性质、电学性质，并且这些变化和陈酿葡萄酒一样通常都是伴随着时间逐渐发生的。根据缺陷密度的不同，二碲化钼单分子层会随着时间逐渐损坏（或者变得更好）”。 Tongay 解释道。
 
该项研究结果表明缺陷对于二碲化钼的光学特性和稳定性有很大的影响，同时还揭示了其他二维材料的环境稳定性问题，例如二维的硅烯、二维的磷等一些其他的二维过渡金属二化物。这也为控制或者调节这些材料的性质提供了一种思路。
 
“这是一项非常重要的发现，因为它实际上暗示我们可以通过控制二维的二碲化钼这种材料内的缺陷密度调控它的光学特性，和通过改善这种材料的结晶性能从而防止它失去其固有属性，”亚利桑那州立大学的博士生，同时是该文章**作者的Bin Chen说道。
 
接下来，研究人员计划去探索其他的二维材料体系的稳定性，同时利用已有的或故意创造的缺陷点通过分子功能化去提升这种材料的性能。“尽管这些材料具有鼓舞人心的性质和令人印象深刻的应用，然而我们的实验结果却表明在一个月的观察时间内这种材料并不具有很好的环境稳定性，”Chen说道：“我们需要去理解这些问题并且利用材料科学与工程方面的知识和专业技能去克服这些问题带来的挑战”。

来源：材料与测试


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