2017上半年二維材料前沿綜述精選
我們盤點(diǎn)匯總了2017年二維材料領(lǐng)域的重要綜述,以此總結(jié)該領(lǐng)域最新前沿科研成果。
1、Adv. Mater. 綜述:二維材料在鹵化物鈣鈦礦基光電器件中的應(yīng)用
圖1 鈣鈦礦材料及不同二維材料的晶體結(jié)構(gòu)
清華大學(xué)石高全教授(通訊作者)等人以“Two-Dimensional Materials for Halide Perovskite-Based Optoelectronic Devices”為題在Advanced Materials上發(fā)表綜述,廣泛總結(jié)了傳統(tǒng)二維材料在鹵化物鈣鈦礦基光電器件(光探測(cè)器、太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管)中應(yīng)用的最新進(jìn)展。這些二維材料包括了石墨烯及其衍生物、單層或多層過(guò)渡金屬硫化物(TMDs)、石墨炔、金屬納米片等。此外,文中也對(duì)二維納米結(jié)構(gòu)鈣鈦礦和二維Ruddlesden-Popper鈣鈦礦在高效和穩(wěn)定光活性層中的應(yīng)用作了概述。同時(shí),文章對(duì)二維材料的制備、功能和工作機(jī)理等方面也作了介紹,最后探討了二維材料在鹵化物鈣鈦礦基光電器件中應(yīng)用時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)。
文獻(xiàn)鏈接:Two-Dimensional Materials for Halide Perovskite-Based Optoelectronic Devices(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201605448)
2、Adv. Mater. 綜述:除磷烯外的二維單元素砷烯、銻烯以及鉍烯
圖2 三方晶系的層狀砷、銻和鉍以及正交晶系的層狀砷結(jié)構(gòu)
近些年來(lái),二維單元素結(jié)構(gòu)逐漸成為科研人員關(guān)注的熱點(diǎn)。這些結(jié)構(gòu)包括單層黑磷以及最近的單層砷烯、銻烯和鉍烯等。南洋理工大學(xué)的Martin Pumera教授(通訊作者)等人在Advanced Materials上發(fā)表了一篇題為“2D Monoelemental Arsenene, Antimonene, and Bismuthene: Beyond Black Phosphorus”的綜述文章。這篇文章簡(jiǎn)要概括綜述了砷烯等氮族二維材料近期出現(xiàn)的指數(shù)性增長(zhǎng)研究。文章不僅介紹了相關(guān)領(lǐng)域的歷史工作,還探討了塊體砷、銻、鉍等的性質(zhì),以及單層或者多層二維材料的理論和實(shí)驗(yàn)研究。
文獻(xiàn)鏈接:2D Monoelemental Arsenene, Antimonene, and Bismuthene: Beyond Black Phosphorus(Adv. Mater.,2017,DOI: 10.1002/adma.201605299)
3、Chem. Rev. 綜述:超薄二維納米材料的最新進(jìn)展
圖3 超薄二維納米材料
石墨烯和類石墨烯材料的研究進(jìn)一步豐富了二維超薄材料的成員。目前關(guān)于二維材料的綜述只關(guān)注了專門一類的二維材料,如石墨烯或者特定類型的二維材料,但是還沒有對(duì)二維材料這一熱門領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)完全的總結(jié)。新加坡南洋理工大學(xué)的張華教授(通訊作者)等人以“Recent Advances in Ultrathin Two-Dimensional Nanomaterials”為題在Chemical Reviews上發(fā)表綜述,詳細(xì)總結(jié)了二維材料的最新研究進(jìn)展,對(duì)二維材料的組成和結(jié)構(gòu)、合成方法、表征及其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了闡述,文章最后對(duì)二維材料的發(fā)展和存在的問題進(jìn)行了總結(jié)。
文獻(xiàn)鏈接:Recent Advances in Ultrathin Two-Dimensional Nanomaterials(Chem. Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00558)
4、Chem. Soc. Rev. 綜述:非石墨烯二維納米片
圖4 銀基質(zhì)上硅烯的顯微結(jié)構(gòu)
二維材料有著原子尺度的厚度,幾乎所有的原子都被暴露在表面上,提供了極大且特殊的表面積,由于量子限域效應(yīng),其展現(xiàn)出了特殊的物理、化學(xué)和電子性能,這使得它們的表面相與大多數(shù)同類一樣重要。來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳乾旺教授、淮北師范大學(xué)孔祥愷副教授、阿克倫大學(xué)彭振猛教授(共同通訊)等人在Chemical Society Reviews上發(fā)表了一篇名為“Elemental two-dimensional nanosheets beyond graphene”的綜述。在綜述中,主要總結(jié)和討論了除石墨烯外其他二維材料的最新進(jìn)展,強(qiáng)調(diào)了它們的基本成分和應(yīng)用,最后還展望了新一代的二維納米結(jié)構(gòu)。
文獻(xiàn)鏈接:Elemental two-dimensional nanosheets beyond graphene(Chem.Soc.Rev.,2017,DOI: 10.1039/c6cs00937a)
5、Adv. Mater. 綜述:二維材料中的原子缺陷:從單原子光譜到光/電子、納米磁性和催化中的功能性
圖5 石墨烯中邊緣原子的電子性質(zhì)
二維材料研究興起的同時(shí)也伴隨著挑戰(zhàn),比如大規(guī)模合成樣品中存在的缺陷工程。為了缺陷工程開發(fā)應(yīng)用特定的策略,闡明結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)電子性能的影響是非常有必要的。近日來(lái)自浙江大學(xué)的張澤院士、金傳洪教授、袁俊教授(共同通訊)以“Atomic Defects in Two-Dimensional Materials: From Single-Atom Spectroscopy to Functionalities in Opto-/Electronics, Nanomagnetism, and Catalysis”為題在Advanced Materials上發(fā)表綜述,主要回顧了二維晶體中兩個(gè)方面的缺陷:一個(gè)是通過(guò)原子分辨電子顯微鏡探測(cè)石墨烯和六方氮化硼中出現(xiàn)的點(diǎn)缺陷,分析它們的局部電子性質(zhì)。另一個(gè)將側(cè)重于TMD中的點(diǎn)缺陷及研究其對(duì)電子結(jié)構(gòu)、光致發(fā)光和電傳輸性質(zhì)的影響。
文獻(xiàn)鏈接:Atomic Defects in Two-Dimensional Materials: From Single-Atom Spectroscopy to Functionalities in Opto-/Electronics, Nanomagnetism, and Catalysis(Adv.Mater.,2017,DOI: 10.1002/adma.201606434)
6、Adv. Mater. 綜述:石墨烯以及其他二維膠體:液晶和宏觀纖維
圖6 基于液晶的宏觀纖維合成策略
浙江大學(xué)的高超教授(通訊作者)課題組在材料頂級(jí)期刊Advanced Materials上發(fā)表了題為“Graphene and Other 2D Colloids: Liquid Crystals and Macroscopic Fibers”的文章,討論了二維膠體、液晶與宏觀纖維關(guān)聯(lián)領(lǐng)域的研究。作者首先追溯了二維膠體的歷史,探討了在液晶研究背景中二維納米材料纖維的概念,詳細(xì)闡述了制備的動(dòng)機(jī)、原理和可能的策略。然后文章重點(diǎn)關(guān)注了石墨烯纖維的出現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用。此外,二維納米纖維的最新進(jìn)展以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)也被概括描述。
文獻(xiàn)鏈接:Graphene and Other 2D Colloids: Liquid Crystals and Macroscopic Fibers (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201606794)
7、Chem. Soc. Rev. 綜述:二維材料束縛下的表面化學(xué)和催化
圖7 二維材料下的化學(xué)
二維材料的特點(diǎn)是面內(nèi)結(jié)合力強(qiáng)而面間作用弱,而研究二維材料界面之間的化學(xué)過(guò)程是近來(lái)新興的科學(xué)領(lǐng)域。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的包信和院士和傅強(qiáng)研究員(通訊作者)等人在綜述期刊Chemical Society Reviews上發(fā)表了一篇題目為“Surface chemistry and catalysis confined under two-dimensional materials”的文章。作者首先介紹了原子或者分子在超薄二維材料上的插入過(guò)程,說(shuō)明了二維材料作為納米容器的概念。然后介紹了二維束縛空間中出現(xiàn)的催化反應(yīng)、化學(xué)氣相沉積和電化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程,說(shuō)明了二維材料作為納米反應(yīng)器的概念。最后,文章總結(jié)提出了二維表面的限制效應(yīng)促使了狹小空間中新型化學(xué)的產(chǎn)生。
文獻(xiàn)鏈接:Surface chemistry and catalysis confined under two-dimensional materials(Chem. Soc. Rev., 2017, DOI: 10.1039/C6CS00424E)
8、Nat. Mater. 綜述:混合維度的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)
圖8 典型的2D材料和混合維度范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的示意圖
層狀材料中,范德華相互作用不僅僅局限在片層間相互作用。事實(shí)上,任何鈍化的或者懸垂鍵自由表面間相互作用均通過(guò)范德華力。這也就使得任何層狀2D材料能夠與許多不同維度的材料整合成為混合維度范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu),即2D+nD(n=0,1,3)的組合。這也催生了對(duì)更廣范圍范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的更深入的研究。美國(guó)西北大學(xué)的Mark C. Hersam教授(通訊作者)等人對(duì)混合維度范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)行了整理,特別強(qiáng)調(diào)了其在固相器件中的應(yīng)用。作者首先對(duì)混合維度異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大體分類以及其所包含材料的種類。然后討論了電荷輸運(yùn)的物理現(xiàn)象和混合維度界面的波段調(diào)整,同時(shí)突出強(qiáng)調(diào)了相關(guān)的化學(xué)過(guò)程和合成路徑。最后,作者討論了混合維度異質(zhì)結(jié)構(gòu)在固態(tài)器件中的應(yīng)用,以及未來(lái)整合成主流技術(shù)的展望。該篇綜述在Nature Materials上以“Mixed-dimensional van der Waals heterostructures”為題發(fā)表。
文獻(xiàn)鏈接:Mixed-dimensional van der Waals heterostructures(Nat. Mater.,2017,DOI: 10.1038/nmat4703)
9、Nat. Mater. 綜述:層狀二維材料中的激元
圖9 石墨烯等離子體
美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的Tony Low(通訊作者)等人綜述了大量二維材料中的激元模式以及近期的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。作者還調(diào)查了這些激元模式的光學(xué)光譜性質(zhì)以及應(yīng)用。二維材料激元及其雜化這一新興研究領(lǐng)域的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)操縱光-物質(zhì)作用提供了不同且極具潛力的可能。相關(guān)的內(nèi)容以“Polaritons in layered two-dimensional materials”為題發(fā)表在頂級(jí)期刊Nature Materials上。
文獻(xiàn)鏈接:Polaritons in layered two-dimensional materials (Nat. Mater.,2017,DOI: 10.1038/nmat4792)
10、Nat. Rev. Chem. 綜述:二維材料的合成及其元素化學(xué)
圖10 能合成二維材料的元素以及其對(duì)應(yīng)的合成方法
美國(guó)西北大學(xué)的Mark C. Hersam和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Nathan P. Guisinger(共同通訊)等人詳細(xì)總結(jié)了二維材料的合成以及化學(xué)性質(zhì)的表征方法,重點(diǎn)講解了基本二維材料的合成。基于石墨烯這種最典型的二維材料,講解了與石墨烯接近的第III主族硼的二維材料、第IV主族硅、鍺和錫的二維材料以及第V主族磷、鉍的二維材料的理論計(jì)算的結(jié)構(gòu)、性能預(yù)測(cè),隨后總結(jié)了每一種材料的合成以及表征方法和結(jié)果,針對(duì)這些二維材料的常溫不穩(wěn)定問題,還提出了改善其常溫穩(wěn)定性和化學(xué)性質(zhì)的方法,最后對(duì)二維材料這個(gè)領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展做了展望。以上內(nèi)容以“Synthesis and chemistry of elemental 2D materials”為題發(fā)表在2017年1月25日的Nature Reviews Chemistry上。
文獻(xiàn)鏈接:Synthesis and chemistry of elemental 2D materials(Nat. Rev. Chem., 2017, DOI:10.1038/s41570-016-0014)
11、Nat. Rev. Mater. 綜述:2D過(guò)渡金屬硫化物
圖11 TMDCs的結(jié)構(gòu)和電子特性
瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)的Andras Kis(通訊作者)等人應(yīng)邀在Nature Reviews Materials上發(fā)表了題為“2D transition metal dichalcogenides”的綜述文章。文章主要對(duì)近年來(lái)2D-TMDCs在結(jié)構(gòu)、電子能帶、性質(zhì)、合成方法、半導(dǎo)體器件應(yīng)用等方面取得的研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)性的回顧,指出2D-TMDCs研究仍然處于非?;A(chǔ)的階段,有待科研工作者大量卓有成效的研究成果來(lái)推動(dòng)其實(shí)際應(yīng)用。
文獻(xiàn)鏈接:2D transition metal dichalcogenides (Nat. Rev. Mat., 2017, DOI: 10.1038/natrevmats.2017.33)
12、Nano Energy綜述:石墨烯之外無(wú)支撐原子級(jí)薄層二維材料與光催化:機(jī)遇與挑戰(zhàn)
圖12 原子級(jí)薄層二維材料
原子級(jí)薄層二維材料以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的性能在多種光催化應(yīng)用上均有潛在的前景。但是對(duì)結(jié)構(gòu)與活性之間關(guān)系的理解依然是不充分和極具挑戰(zhàn)性的。因此,江蘇大學(xué)夏杰祥副教授 (通訊作者)和新加坡南洋理工大學(xué)的劉政教授(通訊作者)等人在Nano Energy上發(fā)表了題為“Freestanding atomically-thin two-dimensional materials beyond graphene meeting photocatalysis: Opportunities and challenges”的綜述文章。在這篇文章中,作者調(diào)研了原子級(jí)薄層二維材料的制備方法。通過(guò)研究近來(lái)發(fā)展的無(wú)支撐原子級(jí)薄層光催化劑,作者還重點(diǎn)思考了從光富集、電荷分離以及界面反應(yīng)等三個(gè)主要因素出發(fā)的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系。多種活性提高策略以及該種二維材料在光催化領(lǐng)域面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)也被一一概述。
文獻(xiàn)鏈接:Freestanding atomically-thin two-dimensional materials beyond graphene
meeting photocatalysis: Opportunities and challenges (Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.03.030)
13、Adv. Energy Mater. 綜述:二維材料層間距調(diào)控與電化學(xué)儲(chǔ)能
圖13 二維材料儲(chǔ)能應(yīng)用概述
二維材料可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積法(CVD),氧化還原插層剝離法,水熱模板組裝法,超聲剝離法等方法制備。插層法制備二維材料不僅可以增大其片層間距,也改變了能帶填充狀態(tài)和費(fèi)米能級(jí),從而增強(qiáng)導(dǎo)電性、離子傳輸能力和催化活性。武漢大學(xué)付磊教授在Adv. Energy Mater.雜志上發(fā)表Opening Two-Dimensional Materials for Energy Conversion and Storage: A Concept的綜述文章,主要介紹了二維材料(石墨烯, 過(guò)渡金屬硫化物(TMDs),過(guò)渡金屬碳化物(TMCs), 黑磷(BP), 石墨相氮化碳(g-C3N4)等在能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存器件領(lǐng)域的研究進(jìn)展,包括太陽(yáng)能電池,熱電器件,電催化材料,超級(jí)電容器和二次電池等。
文獻(xiàn)鏈接:Opening Two-Dimensional Materials for Energy Conversion and Storage: A Concept (Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201602684)