北京大學張艷鋒Nat. Commun.：化學氣相沉積法制備二硫化鉭薄膜

【引言】

二維過渡金屬二硫化物（MTMDC），例如TiSe_21,2,3,4,5,NbSe_26,7,8,9，TaS_210,11,12,13和TaSe_214,15,16，由于其相圖包含超導性，電荷密度波和金屬 -絕緣體轉變等特性，受到了學者們的廣泛關注。這些獨特性質的產生主要歸因于材料較低的維度和量子限制效應的發生。然而，這類材料如TaS₂薄膜一般通過剝離法獲得，難以大批量生產同時材料的厚度和相區大小不易控制。近日，有學者通過化學氣相沉積法來合成MTMDC材料，使其大批量生產變成了可能，同時開發了這種材料在其他領域的使用價值。

【成果簡介】

近日，北京大學張艷鋒教授(通訊作者)團隊在Nat.Commun.上發布了一篇關于二維材料的文章，題為“Two-dimensional metallic tantalum disulfide as a hydrogen evolution catalyst”。作者運用化學氣相沉積技術，在金箔的電極材料上制造厚度可調的二硫化鉭薄片和厘米級的超薄膜，所制備出的樣品與傳統方式得到的薄膜有著同樣高的析氫效率。
研究結果表明，這項工作可以促進MTMDC材料有效催化劑的進一步研發，并將其應用于更廣闊的領域。

【圖片導讀】

圖1 2H-TaS₂薄膜合成示意圖

(a) 低壓化學氣相沉積法(LPCVD)制備薄膜的生長過程；

(b) Ta和S的X射線光電子能譜分析(XPS)峰;

(c-e) 三角形狀的TaS₂的形成；

(f) 2H-TaS₂薄膜的SEM圖像；

(g) 樣品的原子力顯微鏡(AFM)照片；

(h) 生長時間延長至20分鐘后的SEM圖像；

(i) 薄膜邊緣與初始演變的薄膜有著相同的厚度；

(j) 樣品的光學顯微鏡(OM)照片。

圖2 六角形2H-TaS₂薄膜的生長及表征

(a) 常壓化學氣相沉積法(APCVD)制備薄膜的生長過程；

(b) Ta和S的X射線光電子能譜分析(XPS)峰;

(c) 樣品XRD圖譜；

(d-g) 樣品的SEM和AFM圖；

(h) 2H-TaS₂薄膜厚度隨生長時間的變化曲線。

圖3 樣品原子結構的TEM圖

(a) 通過LPCVD制備出薄膜的低倍TEM圖；

(b) 沿著薄膜邊緣的放大TEM圖像;

(c-d) 樣品選區電子衍射 (SAED) 圖；

(e) 樣品原子分辨率TEM圖像；

(f) 在2×2μm2區域內的SAED圖像；

(g) 樣品原子分辨率下的掃描透射電子顯微鏡圖；

(h) 經選擇后的傅里葉變換過濾像。

圖4 樣品拉曼光譜表征

(a) 樣品經冷卻和加熱后的拉曼光譜；

(b) 拉曼頻率隨著溫度的升高降低而變化;

(c) 樣品的磁滯現象和平均轉變溫度；

(d) 2H-TaS₂薄膜的厚度-溫度關系圖；

(e) 新方法與傳統剝離法所制備出薄膜的電傳輸測量一致。

圖5 2H-TaS₂薄膜的電催化應用

(a) HER工藝示意圖；

(b) 樣品的氫吸附能;

(c) 不同H吸附態的ΔG_{H ^*}圖；

(d) 不同厚度2H-TaS₂薄膜的極化曲線；

(e) 樣品的原子力顯微鏡(AFM)照片；

(f) 樣品的Tafel(塔費爾)圖；

(g) 經5000次循環之前和之后的極化曲線；

(h) 樣品的電化學阻抗譜。

【小結】

這篇文章通過化學氣相沉積法，在Au箔上直接合成大面積均勻且厚度可控的2H-TaS₂薄膜。2H-TaS₂薄膜已經被發現是用于HER工藝的有效電催化劑，其催化效果甚至與Pt相當，這歸因于其豐富的活性位點集中在邊緣和基底，以及2H-TaS₂的自優化形態變化。這項研究結果為2D金屬材料的批量生產和電催化應用取得了的重大突破，同時希望激勵科學家在MTMDC大型材料中去探索新型有效催化劑。

文獻鏈接：Two-dimensional metallic tantalum disulfide as a hydrogen evolution catalyst (Nat.Commun., 16 October, 2017 , DOI: 10.1038/s41467-017-01089-z）

本文由材料人編輯部金屬學術組金晨供稿，材料牛編輯整理。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料測試、數據分析，上測試谷！