劉忠范院士，成會明院士，張晗等人近期成果匯總：8篇文獻看二維材料最新應用進展

1. 清華大學ACS Nano：垂直化學氣相沉積法生長高度均勻的二維過渡金屬硫化物

二維過渡金屬硫屬化合物以其良好的物理化學性質在電子和光電子學領域具有廣闊的應用前景，引起了人們的廣泛關注。由于很難控制固體前驅體的濃度和空間上的不均勻生長動力學，到目前為止，在大范圍內以良好的均勻性和重現性生長二維TMDCs是一個挑戰，這嚴重阻礙了它們的實際使用。清華大學Bilu Liu教授和成會明院士為通訊作者在ACS Nano上發表文章，題為“Vertical Chemical Vapor Deposition Growth of Highly Uniform 2D Transition Metal Dichalcogenides”，報告了一種使用氣體前驅體的垂直化學氣相沉積(VCVD)設計，用于在整個襯底上生長密度均勻、質量高、重現性好的單層TMDCs。這種氣體VCVD設計可以很好地控制TMDC生長過程中的三個關鍵參數，包括前驅體濃度、氣體流量和溫度，這在目前廣泛使用的含固體前驅體的水平CVD系統中是無法做到的。統計結果表明，VCVD培養的單層TMDCs(包括MoS₂和WS₂)在cm以上的基質上具有良好的均勻性和質量。作者還利用VCVD生長的TMDCs具有良好的均勻性，采用一步轉移的方法制備了多種范德瓦爾斯異質結構。這項工作為在大面積基底上生長具有高均勻性的二維材料提供了理論依據，可用于二維材料及其異質結構的晶片級制造。

Vertical Chemical Vapor Deposition Growth of Highly Uniform 2D Transition Metal Dichalcogenides,?ACS Nano, 2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c00296.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c00296

2. Nano-Micro Lett.：用于自適應電子學和光電子學的應變誘導壓電和壓阻效應工程二維半導體的最新進展

二維半導體以其超薄的厚度、獨特的結構、優異的光電性能和新穎的物理特性，引起了科學界和工業界的廣泛關注。二維半導體優異的柔韌性和優異的機械強度為制造應變敏感器件和利用應變調整其電子和光電性能提供了機會。一維應變工程材料已經得到了很好的研究，而二維半導體還有很長的路要走。深圳大學張晗教授和北京科技大學齊俊杰教授為通訊作者從應變引起的壓電效應和壓阻效應的基本理論出發，綜述了近年來在Janus二維半導體和2D-Xene結構中的應變工程模擬工作。此外，還綜述了近年來對二維半導體應變調諧PL譜和輸運行為的實驗觀察進展。此外，還重點介紹了應變工程二維半導體在傳感器、光電探測器和納米發生器中的應用。最后，對應變工程二維半導體及相關電子學和光電子器件應用的未來研究方向進行了深入探討。

Recent Advances in Strain-Induced Piezoelectric and Piezoresistive Effect-Engineered 2D Semiconductors for Adaptive Electronics and Optoelectronics, Nano-Micro Lett., 2020, DOI: 10.1007/s40820-020-00439-9.

https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-020-00439-9

3. Matter:用于光催化和電催化的多孔二維材料

具有豐富平面內孔洞的二維材料(多孔二維材料)由于具有二維材料和多孔材料各自獨特的微觀結構優勢，在光催化和電催化方面表現出了優異的催化劑性能。東北大學的李犁教授、王淑蘭教授、牛萍副教授聯合倫斯勒理工學院的石建副教授作為通訊作者共同回顧總結了多孔二維材料在光催化和電催化方面的進展。首先強調了它們特殊的結構優勢對光催化和電催化過程的影響，包括離子和/或載流子的轉運、表面活性位點、穩定性、修飾、電子帶結構和光吸收性能。介紹了具有代表性的二維多孔材料的合成方法，并按自上而下和自下而上的方法進行了分類。并系統地介紹了它們在光催化和電催化的不同方面的應用。最后，作者提出了多孔二維材料發展的機遇和挑戰，希望進一步促進這些新興的先進材料在光催化和電解方面的應用。

Porous Two-Dimensional Materials for Photocatalytic and Electrocatalytic Applications, Matter, 2020, DOI: 10.1016/j.matt.2020.04.002.

https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.04.002

4. Adv. Mater.基于深度學習的二維材料快速光學識別和表征

先進的顯微鏡和/或光譜學工具在納米科學和納米技術研究中扮演不可或缺的角色，因為它們提供了關于材料過程和性質的豐富信息。然而，成像數據的解釋在很大程度上依賴于經驗豐富的研究人員的“直覺”。因此，通過這些工具獲得的許多深層圖形特征往往沒有被使用，因為在處理數據和尋找相關性方面存在困難。這些挑戰可以通過深度學習很好地解決。北京航空航天大學尹繼豪團隊和美國美國麻省理工學院的Tomás Palacios團隊、Jing Kong團隊、Pablo Jarillo-Herrero團隊在《Advanced Materials》期刊上發表題為“Deep-Learning-Enabled Fast Optical Identification and Characterization of 2D Materials”的研究論文。以二維材料的光學表征為例，提出了一種具有高預測精度和實時處理能力的基于神經網絡的二維材料和厚度識別算法。進一步的分析表明，經過訓練的網絡可以提取深度圖形特征，如對比度、顏色、邊緣、形狀、片狀大小及其分布，在此基礎上開發了一種集成方法來預測二維材料最相關的物理特性。最后，采用轉移學習技術使預訓練的網絡適應于其他光學識別應用。這種以人工智能為基礎的材料表征方法是一種強大的工具，可以加速2D材料和其他納米材料的制備、初始表征，并有可能加速新材料的發現。
Deep-Learning-Enabled Fast Optical Identification, Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202000953.

https://doi.org/10.1002/adma.202000953

5. Adv. Funct. Mater.MXene異質結構具有優異性能的電容器

2D/2D異質結構可以結合每個2D材料的共同優勢，甚至顯示出協同效應的改善性能。2D過渡金屬碳化物Ti₃C₂?MXene和2D 1T‐MoS₂由于其豐富的性能，已成為電化學領域具有吸引力的原型。由于1T‐MoS₂的不穩定性，這兩種2D材料的構建以及協同效應的研究都是缺失的。
合肥物質科學研究院固體所功能材料研究室朱雪斌研究員課題組在強磁場下二維材料合成制備方面取得新進展，采用強磁場水熱法合成了1T-MoS₂和Ti₃C₂?MXene異質結構。在三維互聯網絡中，由于增效相互作用，增大了離子存儲空間，從而提高了額外的電容。更重要的是，異質結構復合材料甚至可以通過協同效應顯示出改進的性能。由Ti₃C₂?MXene產生的超快電子輸運實現了優異的速率性能。相關工作以“2D/2D 1T-MoS₂/Ti₃C₂?MXene Heterostructure with Excellent Supercapacitor Performance”為題發表在Advanced Functional Materials。

2D/2D MoS₂/Ti₃C₂?MXene Heterostructure with Excellent Supercapacitor Performance?Advanced Functional Materials, 2020, DOI:10.1002/adfm.201910302.

https://doi.org/10.1002/adfm.201910302.

6. Nano Lett.SnSe₂/MoTe₂斷隙范德華異質結中結模式調節

韓國成均館大學Hye Min Oh教授和Mun Seok Jeong教授團隊聯合研究制備了一種基于SnSe2/MoTe2斷隙范德華異質結多功能器件，這種具有模式可調的范德華異質結構顯示出高性能的Esaki二極管、后向二極管、紅外（IR）光電探測器和光電特性。此外，在811 nm激光照射下，異質結構表現出高達7.5×10¹²?Jones的光檢出率。此外，為了利用靜電柵偏壓，V_oc可以通過轉換異質結的積累模式到耗盡模式而由負調到正。此外，光伏效應的填充因子超過41%，這突出了光電應用的重大潛力。

Modulation of Junction Modes in SnSe₂/MoTe₂?Broken-Gap van der Waals Heterostructure for Multifunctional Devices, Nano Letters,2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b04926.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04926

7. Adv. Mater.：用于高性能短波紅外光探測的石墨烯上的超低躍遷能有機復合物

室溫、高靈敏度和寬帶光探測，直至短波紅外(SWIR)區域，對于各種光電應用，包括污染識別、熱成像、夜視、農業檢查和大氣遙感，都具有極其重要的意義。基于小型帶隙半導體的SWIR光電探測器通常需要深度冷卻，以抑制熱產生的載流子，從而提高靈敏度。同時，光浮柵效應可以提供一種不需要冷卻就可以獲得高光敏性的替代方法。光浮柵效應源于光誘導載流子在缺陷或界面上的電荷俘獲，導致極高的光增益。國家納米科學中心謝黎明研究員團隊通過在石墨烯晶體管上集成有機電荷轉移復合物，制備了高靈敏度的SWIR混合光電探測器。有機電荷轉移復合物（TTF-CA）具有低至0.5 eV的出色低能分子間電子躍遷，能夠在大于2 μm的波長下實現有效的SWIR吸收。在有機復合物和石墨烯界面處的光浮柵效應可在室溫下對2 μm波長實現極高的光增益，≈10¹³?Jones的高探測率以及8 ms的響應時間。文章以“Ultralow-Transition-Energy Organic Complex on Graphene for High-Performance Shortwave Infrared Photodetection”為題發表在著名期刊Advanced Materials上。

Ultralow-Transition-Energy Organic Complex on Graphene for High-Performance Shortwave Infrared Photodetection,Adv. Mater., 2020, DOI:10.1002/adma.202002628.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002628

8. 孫靖宇&劉忠范AM：垂直生長的石墨烯地毯Janus隔膜穩定鋅負極

鋅金屬負極已經引起了廣泛的科學研究興趣。然而，制約其大規模應用的主要瓶頸是電化學穩定性差和循環壽命不理想。蘇州大學孫靖宇課題組展示了一種直接生長在玻璃纖維隔膜上的垂直石墨烯地毯，一個簡單的空氣等離子體處理進一步使氧和氮雜原子成功地結合在裸石墨烯上。由此構成的Janus隔膜可以穩定鋅負極上的鍍鋅層。3D導電VG骨架同時提供了充足的表面積、多孔結構和親鋅性，反過來，Janus分離器收獲均勻的電場分布，降低了陽極/電解液界面的局部電流密度，并利用良好的親鋅特性來建立均勻的鋅離子通量。從而保證鍍鋅/剝離均勻進行，保持高可逆性。因此，使用Janus隔膜的電池具有較高的性能。另外，采用Janus隔膜的柔性鋅離子電池，在變形條件下具有很高的電化學穩定性。這種高效率、低成本的隔膜改性策略，將為下一代儲能系統的設計開辟一條新的途徑。Directly Grown Vertical Graphene Carpets as Janus Separators toward Stabilized Zn Metal Anodes, Advanced Materials,?2020,?DOI: 10.1002/adma.202003425.

https://doi.org/10.1002/adma.202003425

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