液态金属上二维材料的精准合成——武汉大学付磊Acc. Chem. Res.

2018-11-21 12:24:36 作者：付磊来源：X一MOL资讯分享至：

由于电荷、自旋和热传输在平面内的限域效应，石墨烯等二维材料表现出众多独特而优异的性质，在电子器件、光电器件等领域展现出重要的应用前景。然而，二维材料能否真正付诸应用取决于能否精准合成（如层数和畴区的精确控制，这将直接决定二维材料的质量和性质）。化学气相沉积法（CVD）被认为是合成高质量二维材料最有效且可控的方法，其中催化基底的设计尤为重要（直接影响吸附、催化、传质和组装等基元步骤）。相较于传统的固态金属催化剂，近年来兴起的液态金属催化剂为二维材料的精准合成带来了新的机遇。11月20日，武汉大学付磊教授在化学领域权威期刊Accounts of Chemical Research上发表了题为“Controllable Fabrication of Graphene and Related Two-Dimensional Materials on Liquid Metals via Chemical Vapor Deposition”的综述文章，对他们课题组近年来在液态金属上精准合成二维材料的工作进行了系统总结，并对其未来的发展方向和面临的挑战做出了深入的思考和前瞻性展望。

当期封面。图片来源：Acc. Chem. Res.

因为二维材料的性质与层数存在高度依赖关系，所以层数控制是二维材料精准合成最基本的要求。基于液态金属的相变过程，前驱体在液态体相中的析出过程能被精确控制，从而实现自限制生长，获得近100%单层的二维材料（Chem. Mater., 2015, 27, 8230；Chem. Mater., 2014, 26, 3637；Sci. Rep., 2013, 3, 2670）。除了金属基底，将绝缘基底（如玻璃）熔融为液态时，其上的二维材料生长也能表现出有趣的自限制行为（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 755；Chem. Mater., 2017, 29, 6095；Small, 2016, 12, 5741；Small, 2015, 11, 1840）。

石墨烯单晶自发排列形成的二维超有序结构。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

由于液态金属的可流变性，其表面生长的二维材料单晶能实现可控的排列。其中包括平滑拼接、有序组装和异质堆垛，有望构筑新型的多级或异质结构，从而实现材料的性质延伸和功能拓展。液态金属的各向同性和可流变性能触发石墨烯的各向同性生长，具有高活性边缘的圆形石墨烯单晶之间能通过旋转实现平滑拼接（ACS Nano, 2016, 10, 7189）。此外，通过设计外场扰动和调节石墨烯单晶间的相互作用力，可实现石墨烯单晶在液态金属表面的超有序组装，获得二维单晶的超有序结构（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 7812）。利用液态金属中氧化铝纳米粒子自组装形成的阵列作为成核点，可获得超大面积的石墨烯单晶有序阵列（Chem, 2018, 4, 626）。这种超有序的单晶自组装行为还可拓展至其它二维材料单晶及异质结阵列的可控制备，例如二维六方氮化硼单晶阵列（Adv. Electron. Mater., 2015, 1, 1500223）以及二维六方氮化硼–石墨烯核壳阵列（J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 13997）。

伴生生长的100%堆垛的ReS2/WS2垂直异质结。图片来源：Nat. Commun.

二维材料的堆垛在液态金属中也表现出独特的行为。液态金属体相中具有大量空位，能容纳前驱体原子，这样的体相传质生长模式可直接合成出界面洁净的二维材料垂直异质结（ACS Nano, 2016, 10, 2063）或二维材料的面内异质结（Nano Energy, 2017, 33, 356）。利用二维材料间的强范德华耦合作用，还能实现二维材料异质结的伴生生长（例如ReS2和WS2），获得100%堆垛的垂直异质结（Nat. Commun., 2016, 7, 13911）。

此外，液态金属体相的可切变性为二维材料的转移带来了新的思路。在无需聚合物载体辅助的情况下，生长于液态金属表面的二维材料可利用滑移高效、洁净地转移到目标基底（Adv. Sci., 2016, 3, 1600006）。

液态金属上二维材料的精准合成。图片来源：Acc. Chem. Res.

由于独特的物态，液态金属催化剂在二维材料的精准合成方面表现出独特的优势。然而，这个领域也仍存在着诸多挑战：目前大多数的工作都是在石墨烯上实现的，若能将液态金属上的生长拓展至其它二维材料，可以预期将为更多二维材料的精准合成带来新的突破；液态金属上的生长研究尚停留在实验证实阶段，理论研究仍十分匮乏（液态金属的非晶结构使得难以用传统的建模与计算方法对其催化机制进行研究）。

我们相信这个领域尚大有可为。围绕液态金属的后续研究工作将为实现二维材料的大规模、精准合成奠定坚实的基础。

导师介绍付磊http://www.x-mol.com/university/faculty/13589

课题组主页http://leifu.whu.edu.cn/

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责任编辑：韩鑫

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