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《自然·通訊》刊發材料學院翟天佑教授團隊研究成果

2019-10-21

    10月17日,材料學院材料成形與模具技術國家重點實驗室新材料與器件研究中心團隊在《自然·通訊》(Nature Communications)上發表了關于二維分子晶體的最新研究成果“Two-dimensional inorganic molecular crystals”(二維無機分子晶體)。該工作由材料學院翟天佑教授團隊、斯坦福大學崔屹教授團隊和深圳大學張秀文教授團隊共同合作完成。材料學院2017級博士后韓偉為論文第一作者,深圳大學黃浦博士為論文共同第一作者,翟天佑教授和崔屹教授為論文的通訊作者。

    二維分子晶體,是一類由分子通過范德華力結合的新興超薄晶體材料。與二維原子晶體相比,二維分子晶體具有諸多獨特的優勢,例如可大面積自組裝、可設計的分子結構、可調控的分子性質、多樣性的分子種類、優異的透明性以及柔韌性等。由于其突出的物理、化學性質,二維分子晶體有望應用于下一代半導體工業、光電器件、柔性器件、傳感、催化和智能科技等領域。然而,當前研究的二維分子晶體僅僅局限于有機分子,無機分子晶體還鮮有報道。大多數有機分子對空氣和熱不穩定,易影響器件性能和實際應用。無機分子具有穩定性好、成本低廉等諸多優勢,是非常有潛力的半導體材料。但是,作為一類新型的二維材料,二維無機分子晶體(two-dimensional inorganic molecular crystals, 2DIMCs)的可控制備面臨著許多挑戰。例如,傳統的機械剝離或者液相法制備的樣品往往出現小尺寸、厚度大、多晶相等缺點,而氣相法獲得的薄膜常出現表面形貌不均勻、結晶質量不高等問題。因此,開發一種可以制備大面積、高質量的二維無機分子晶體的策略是目前相關領域面臨的一個巨大挑戰。

    在該研究中,翟天佑教授團隊成功制備出薄至單分子層(約0.64nm)的二維Sb2O3無機分子晶體。團隊成員通過實驗結合計算發現,通過在氣相合成中引入鈍化劑,能防止材料的異相成核,且能抑制低能晶面的生長,使分子晶體沿高能晶面橫向生長,從而獲得單晶納米片。此鈍化劑輔助氣相沉積(PAVD)的合成方法還能擴展到其他二維無機分子晶體的制備中。團隊成員通過原位拉曼光譜發現,α相Sb2O3分子晶體可在升溫條件下轉變為β相Sb2O3鏈狀晶體,而在降溫時又可回到α相,是一個可逆相變過程。此相變過程還可通過原位透射電鏡直接觀察。通過對材料進行電子束輻照和加熱,團隊成員觀察到了分子晶體從α相到β相的原子級結構變化過程,發現中間相和相邊界的移動對新相的形成起到重要作用。該項工作首次將二維分子晶體的概念從有機分子引入到無機分子,極大地擴展了分子晶體研究領域,為未來二維分子晶體在電子、光電以及相變器件的應用打開了一個新的局面。


圖1、二維Sb2O3分子晶體的合成方法、晶體結構、生長機理、表面形貌以及拉曼光譜表征。
圖2、二維Sb2O3分子晶體的原位和非原位拉曼光譜研究。
該研究得到國家杰出青年基金,博士后基金,湖北省創新群體,中央高校基本科研業務費等項目的資助。 文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-12569-9

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