北京航空航天大学在二维材料合成新方法方面取得进展
2024/04/22
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图 熔体辅助析出生长过程机制、材料分类及80种超薄二维单晶及大尺寸薄膜
在国家自然科学基金项目（批准号：22171016、21821004、21932001）等资助下，北京航空航天大学宫勇吉教授、北京大学吴凯教授等提出了一种简单、高效的熔体辅助生长二维材料的普适性策略，实现了对熔体辅助合成过程的动力学控制。研究成果以“熔体辅助生长原子级薄材料（Flux-assisted growth of atomically thin materials）”为题，于2022年9月30日在线发表于《自然·合成》（Nature Synthesis）杂志。论文链接：https://doi.org/10.1038/s44160-022-00165-7。
二维材料由于其特殊的物理和化学特性，近年来引起了广泛关注。这些原子层厚度的材料为二维极限尺度下探索催化、磁性、超导和拓扑等性质提供了理想的平台，而高质量二维材料的可控制备是其应用的先决条件。化学气相沉积（CVD）和机械剥离（ME）方法已被广泛应用于各种超薄材料的制备，但这些方法仍然面临诸多挑战。如传统CVD方法在合成复杂多元二维材料时很容易发生相分离；对于晶面之间具有较强键合能的非层状材料，既很难被CVD方法合成，也不易用ME方法剥离。
鉴于此，为突破传统方法合成二维材料的限制，北京航空航天大学宫勇吉教授团队联合北京大学吴凯教授团队，提出一种全新的熔体辅助生长二维材料的普适性策略。该方法利用经典生长单晶的熔融析出机理辅以限域空间、熔体浸润性等动力学控制因素，成功制备出近百种超薄二维单晶纳米片，包括层状或非层状、少元或多元二维单晶材料（图）。该合成方法可通过组分均匀的熔融相精准控制产物的组分，展现出了制备二维单晶薄膜的潜力。相比传统合成方法，熔体析出法具有高效稳定、组分可控和重复性高等优点，尤其对外在生长条件（如温度、气流大小、前驱体数量等）具有较高容忍度。此外，通过微观原子结构表征及半导体、磁学、超导和铁电性能测试，证明了该方法合成的超薄二维纳米片具有较高的质量和优异的性能。
与传统方法难以可控合成复杂多元层状或非层状超薄二维单晶材料相比，该研究突破了合成超薄材料的限制，提出了一种合成二维材料的普适性策略，为未来合成更多复杂多元二维材料、非层状二维材料及大尺寸单晶薄膜提供了新的思路。
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