AFM綜述: 基于主族元素化合物的二維材料的相、合成、表征及應用

【引言】

自石墨烯被發現以來，二維材料（2D）由于其特殊的電子，機械和光學特性而備受關注。與石墨烯和過渡金屬硫化物(TMD)相比，基于主族元素的2D材料具有更復雜的單層結構，并且由于其新穎的光電特性，最近也受到越來越多的研究興趣。與TMD不同，主族元素中的d軌道被完全占據。在化合物的形成過程中，主族元素僅從s和p軌道貢獻電子。因此，這些化合物可以有多種形式，例如MX，M₂X₃，M₃X₄和MX₂，它們形成了具有X–M–M–X, X–M–X–M–X, X-MX-M-X-M-X的單層結構，而不僅限于三明治結構。這個特性賦予了材料具有更多的晶體結構（相），性質和應用。在相同的分子式下，不同的相結構是調控材料物理性質的有效方法。而通過相結構和2D材料中的量子限域效果的結合更是豐富了它們的性能與應用。例如，單層β-In₂Se₃具有間帶躍遷，而單層α-In2Se3顯現出直帶的性質。更為重要的是，由于維度的降低（2D），某些在體相材料中不穩定的相結構可以在室溫穩定，從而實現了許多新特性，例如鐵電效應，各向異性的光學和電學特性。但是，目前尚無關于主族材料2D材料的相結構控制，相變以及相關性能和應用的綜述。

近日，澳大利亞澳洲國立大學Yin Zongyou教授 和 Lu Yuerui教授聯合南開大學杜亞平教授（共同通訊作者）在Advanced Functional Materials上發表了題為“2D Materials Based on Main Group Element Compounds: Phases, Synthesis, Characterization, and Applications”的綜述文章。該綜述系統總結了基于主族元素化合物（包括III-VI，IV-VI，V-VI，III-V，IV-V和V-V材料）的2D二元材料不同相的最新研究。對于每種材料，討論了其多相結構，制備方法，性質表征和應用實例。 此外，通過比較它們的已知體相結構和2D材料的相結構來說明這些2D材料的潛在相。在這篇綜述中，還給出了控制這些2D材料相結構的某些策略。然后討論和預測了這些具有不同相的2D材料的潛在特性。最后，本文重點介紹了2D材料在相結構控制的問題和挑戰，并指出開發這些2D材料的發展方向。

【圖文導讀】

圖一InSe和β-In2Se3γ-In2Se3的結構示意圖

圖二不同相In₂Se₃的性能表征

（a，b）α，β和γ-In₂Se₃中與厚度有關的帶隙。

（c）InSe的PL光譜。

圖三Ga-Te不同相的性質

（a）六角形和單斜GaTe的晶體結構示意圖。

（b）在六方晶系和單斜晶系GaTe中，PL峰值能量對Se含量的相位依賴性。

（c）129和144 cm-1處的兩個Ag拉曼激活模式的位置隨層數的變化而變化。

（d）Ag模式的拉曼頻率差與層數n的關系。

圖四單層SnS2(SnSe₂)和單層MoS₂(MoSe₂)的原子結構

圖五Ge₄Se₃Te晶體結構與α-GeTe和β-GaSe的相關結構比較

圖六通過范德華力（vdW）連接具有Se-Bi-Se-Bi-Se層的Bi₂Se₃菱面體晶體結構的示意圖

圖七BiAs多晶型物平衡結構的俯視圖和側視圖

【小結】

這篇綜述總結了基于主族元素化合物的2D二元材料中的不同相結構的研究。聚焦于其晶體結構，穩定性，合成方法，電子和光學性質以及各種應用。當2D材料的厚度降為原子尺度后，不穩定的相結構可能變的穩定，從而新的性質與應用可以得到驗證。 另外，本文也探討了一些已知的2D材料相結構控制的方法和策略，并且為其它2D材料新相的合成提供了可能性。目前，這些2D材料的主要合成方法是基于傳統的溶液化學方法和基于蒸鍍的物理方法。此外，出現了一些新方法，特別是對于沒有層狀結構的材料。某些材料的特性和傳統應用已得到廣泛研究，而新相結構的開發更能豐富這些材料的應用。最后，基于理論計算，很多材料的新相和性質還有待驗證，而這些材料的研究還處于非常早期的階段，還存在許多問題丞待解決。

文獻鏈接：“2D Materials Based on Main Group Element Compounds: Phases, Synthesis, Characterization, and Applications”(DOI: 10.1002/adfm.202001127)

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