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二硫化鉬:開(kāi)啟二維金屬材料製備新篇章

在材料科學(xué)的廣袤領(lǐng)域中,二維材料一直是前沿研究的焦點(diǎn)。從 2004 年單層石墨烯的發(fā)現(xiàn),如同在平靜湖面投入巨石,激起千層浪,二維材料家族迅速擴(kuò)張,目前實(shí)驗(yàn)可獲得的二維材料已達(dá)數(shù)百種。但長(zhǎng)久以來(lái),這些二維材料多局限在層狀材料體系,而佔(zhàn)據(jù)材料世界重要地位的金屬,大多為非層狀材料,如何將金屬 “重塑” 為二維材料,成為科學(xué)界的一大難題。

單層二硫化鉬封裝的單層金屬鉍(圖源:中國(guó)科學(xué)院物理研究所)

單層二硫化鉬封裝的單層金屬鉍(圖源:中國(guó)科學(xué)院物理研究所)

中國(guó)科學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)在這一難題上取得了重大突破,而其中,看似平凡卻又無(wú)比神奇的二硫化鉬(MoS2),成為了解開(kāi)謎題的關(guān)鍵鑰匙。

二維材料,因其僅具單個(gè)原子層或幾個(gè)原子層的厚度,在材料科學(xué)領(lǐng)域獨(dú)樹(shù)一幟。這一特殊的超薄結(jié)構(gòu),打破了傳統(tǒng)材料的固有模式,開(kāi)啟了全新的探索維度。在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域,二維材料宛如一把鑰匙,解鎖了低維度空間下量子力學(xué)的神秘寶箱。原子層的極致薄使得電子行為被重塑,其運(yùn)動(dòng)被局限於二維平面,電子間相互作用因此顯著增強(qiáng),催生了量子霍爾效應(yīng)等奇特現(xiàn)象。這些發(fā)現(xiàn)深化了對(duì)微觀物理規(guī)律的認(rèn)知,為量子電子器件的創(chuàng)新築牢根基。

材料科學(xué)方面,二維材料憑藉原子級(jí)厚度帶來(lái)的超高比表面積,擁有遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料的表面活性位點(diǎn)。這一特性使其在催化反應(yīng)中能高效加快反應(yīng)速率、精準(zhǔn)把控選擇性,在氣體吸附上可迅速捕捉特定氣體分子,助力環(huán)境監(jiān)測(cè)與氣體分離。正因二維材料在多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力,已成為全球科研聚焦的前沿?zé)狳c(diǎn),持續(xù)推動(dòng)著科技的革新與進(jìn)步。

研究人員表示,“不同於層狀材料,金屬材料的每個(gè)原子在任意方向均和周?chē)佑袕?qiáng)的金屬鍵相互作用。如果將層狀材料比作‘千層餅’,那麼金屬材料就好比‘壓縮餅乾’。因此,將金屬材料‘重塑’為二維材料,要比層狀材料難得多?!?/p>

二硫化鉬圖片

二硫化鉬圖片

在此次具有開(kāi)創(chuàng)性的研究中,科研團(tuán)隊(duì)巧妙地運(yùn)用了二硫化鉬。他們先將金屬熔化,隨後利用團(tuán)隊(duì)前期精心製備的高品質(zhì)單層MoS2壓砧進(jìn)行擠壓操作。這一創(chuàng)新性的方法,成功實(shí)現(xiàn)了多種二維金屬的普適製備,鉍、錫、鉛、銦和鎵等金屬在二硫化鉬的 “助力” 下,順利完成了從常規(guī)狀態(tài)到二維狀態(tài)的神奇轉(zhuǎn)變,厚度僅為頭髮絲直徑的二十萬(wàn)分之一。

據(jù)悉,中國(guó)科學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)製備的二維金屬材料不僅實(shí)現(xiàn)了橫向尺寸的大幅提升,而且具備良好的環(huán)境穩(wěn)定性,在超1年的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中都未出現(xiàn)性能退化的情況。這一成果得到了國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》審稿人的高度認(rèn)可,認(rèn)為它有力地推動(dòng)了二維金屬領(lǐng)域的科學(xué)研究,是二維材料研究領(lǐng)域的重大進(jìn)展。

二維金屬材料具有廣闊的應(yīng)用前景,有望推動(dòng)超微型低功耗電晶體、高頻器件、透明顯示、超靈敏探測(cè)、極致高效催化等諸多領(lǐng)域的技術(shù)革新。而這一切成就的背後,二硫化鉬功不可沒(méi)。它憑藉獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能,為金屬材料向二維結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變提供了可能,成為了打開(kāi)二維金屬材料新世界大門(mén)的關(guān)鍵力量。

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