过渡金属二硫化物基异质结构材料的电催化析氢研究进展

贵金属铂(Pt)基催化剂在析氢反应(HER)中表现出卓越的催化性能,但由于其价格昂贵且地球储量较少限制了商业化使用。目前,以过渡金属二硫化物(TMD)为基底的异质结构因其界面间的相互作用,展现出优异的HER性能,被认为是贵金属催化剂的理想替代。基于以上背景,本文讨论了在酸性、碱性及全pH条件下,TMD基异质结构的最新进展。着重论述了不同TMD基异质结构材料的构建思路、制备方法及提升材料析氢性能的策略。最后总结了TMD基异质结构材料优异性能的内在机制,并对此类催化剂未来的发展趋势进行了展望。

过渡金属二硫化物拉曼散射在免疫检测中的应用

为了利用可见光激发下半导体拉曼散射信号实现生物检测,以窄带隙的MoS_2材料构建了拉曼免疫标记探针,用于实现对人IgG分子的高特异性识别。首先,运用液相剥离法分别获得了MoS_2和WS_2微米材料,以加热陈化处理分析了温度对532nm激发下样品拉曼散射信号强度的影响。之后借助3-巯基丙酸修饰向MoS_2材料表面引入羧基,进而获得了可用于免疫检测的拉曼探针。最后,以"抗体-待测物-抗体"的三层结构分析了基于MoS_2拉曼散射的免疫检测性能。实验发现适当温度下加热陈化处理可增强过渡金属二硫化物的拉曼散射强度(70℃下最优)。多组对照实验结果表明,免疫检测生物芯片的拉曼信号强度随人IgG浓度的升高而升高,最终趋于饱和,最低浓度的检测限达到1fM,实现了可见光激发下利用半导体拉曼散射信号对目标分子的高灵敏度、高特异性免疫检测。

非常规相过渡金属二硫化物的合成及其本征物理化学性质

超薄层状过渡金属二硫化物(TMD)材料在(光)电子器件、催化、能量转化和存储等方面具有极大的应用前景,也是研究凝聚态物理相关基本问题的模型材料1–4。TMD材料由于具有不同的晶相结构,并因此展现出多样的物理化学性质,是近期二维材料的研究热点5–8。对TMD纳米材料的本征物理化学性质的深入研究,将极大地推动该类材料的基础研究和应用探索。宏量制备大尺寸和高质量晶体是至关重要的科学问题。

类石墨烯过渡金属二硫化物的研究进展

具有类石墨烯二维结构的过渡金属二硫化物(TMDCs)因其优异的光学、电学、电化学等方面的性质而引起人们的广泛关注。介绍了二维TMDCs的基本性质,及几种常用的制备方法。重点阐述了二维TMDCs的电学性质、光学性质、电化学性质及其潜在应用,并与石墨烯的物理化学性质进行了类比。最后分析了二维TMDCs的发展趋势和面临的挑战。

热电池用过渡金属二硫化物及其复合材料的研究进展

过渡金属二硫化物具有较高的理论比容量、稳定的电化学性能及成熟的制备工艺,是锂系热电池中应用最广的正极材料之一,但其同时也存在电极电位低、大功率放电能力弱等问题,致使其进一步的发展受到限制。目前,对于过渡金属二硫化物正极材料的优化及改性是锂系热电池领域的核心课题。本文综述了FeS_(2)、CoS_(2)与NiS_(2)等过渡金属二硫化物在放电机理、制备工艺及电化学性能方面的研究现状,介绍了双金属二硫化物及过渡金属二硫化物/碳素类复合材料的主要研究进展。同时,通过对现有研究的归纳与总结,指出了掣肘过渡金属二硫化物正极材料发展的关键问题,简述了针对过渡金属二硫化物的主要改性手段,并对其之后的研究提出了一些建议与想法。

类石墨烯过渡金属二硫化物的合成与应用研究进展

二维过渡金属二硫化物(TMDCs)是一种具有类石墨烯层状结构的新型材料,单层的TMDCs凭借其超薄的层状结构、巨大的比表面积、优异的物理化学性质和可调的禁带宽度等特点,在光电器件、光催化剂、传感器及检测和超级电容器等领域备受关注。在介绍TMDCs的结构和性能的基础上,重点对其常见的制备方法及应用进行了总结和评述,并展望了其未来的发展趋势和所面临的挑战。

过渡金属二硫化物纳米酶用于过氧化氢检测研究进展

近年来,过渡金属二硫化物凭借其比表面积大、生物相容性好及超薄尺寸的量子效应等优点被作为纳米酶而应用于过氧化氢的各种检测研究中。本文以二硫化钼和二硫化钨为例,介绍了其类过氧化物酶性质的研究进展。

基于二维过渡金属二硫化物纳米材料超灵敏电化学生物传感器研究

我校化学化工学院黄克靖博士获批国家自然科学基金青年基金项目：基于二维过渡金属二硫化物纳米材料超灵敏电化学生物传感器研究，项目批号：21475115．生物体是一个由物质组成的非均一体系，蛋白质是生物体中的必要组成成分，几乎存在于所有的组织器官中，参与细胞生命活动的各种进程，其结构与功能的研究以及定性定量检测在临床诊断、疾病治疗、药物筛选和人类营养健康等方面意义重大．

炭纸衬底上化学气相沉积直立型二维过渡金属硫化物及其电催化产氢性能

以MoS_(2)为代表的二维过渡金属硫化物近年来在电催化水分解产氢反应中表现出良好的电催化活性而受到广泛关注。但二维过渡金属硫化物的导电性一般较差、且催化活性位常在有限的边缘位置,成为限制其催化性能的重要因素。本文通过化学气相沉积方法研究了在炭纸基底上直接生长3种过渡金属硫化物(MoS_(2)、NbS_(2)和WS_(2))构筑一体化催化电极,以提高整个电极的导电性。通过优化生长工艺,实现了炭纸表面3种过渡金属硫化物的直立型生长并对电催化产氢反应表现出良好的催化性能,尤其是WS_(2)表现出新颖的纳米片/纳米纤维层次结构,其对产氢反应表现出最佳的催化性能。在此基础上,对炭纸上生长的过渡金属硫化物通过阴极电化学活化处理的方式引入硫缺陷,从而提高其HER活性。结合透射电子显微镜和原位电化学拉曼光谱仪研究了二维过渡金属硫化物在电化学活化前后的结构变化尤其是所产生的硫缺陷的微观结构,为其产氢性能的提升提供合理的解释。

过渡金属硫族化合物激子研究进展

分别介绍了激子的基本概念及过渡金属硫族化合物(transition metal dichalcogenides,TMD)材料中不同类型的激子态,并对TMD材料中激子的调控方法和手段进行了系统综述;总结了TMD材料中激子问题的潜在研究方向及应用.

二维过渡金属二硫化物的能带调控

二维过渡金属二硫化物(transition metal dichalcogenides,TMDCs)因其原子级平坦的表面、可调的能带结构等优势而在光学、电学、热学等领域受到广泛关注,并且为解决传统硅基晶体管尺寸进一步微缩面临的挑战提供了新的机遇.能带工程是调控二维TMDCs材料电子结构并研究其物理学特性的重要手段.本文从本征调控和外部调控两个方面综述了近年来二维TMDCs材料中的能带调控策略,主要包括本征层数调控、零维点缺陷调控(晶格空位构筑、掺杂/合金化)、施加应变、构筑异质结等.在现有研究成果的基础上,对未来的研究方向进行了展望.

基于密度泛函的过渡金属电磁特性研究

文中研究了通过2D^1D尺寸限制来调整金属过渡金属二硫化物(mTMDC)的电子及磁性。与实验可获得的半导体TMDC相比,mTMDC单层和纳米带的结合能较大、稳定性更好。与其半导体TMDC相比,2D MX 2(M=Nb,Ta;X=S,Se)单层是非铁磁金属。当mTMDC纳米带的带状宽度分别接近13和7时,即分别形成锯齿形和扶手椅边缘终端时,mTMDC从金属过渡为半导体;当纳米带宽度进一步减小时,这些纳米带会转换回金属。Zigzag端接纳米带是铁磁半导体,其磁性也可通过氢边缘钝化来调节,而扶手椅纳米带是非铁磁半导体。研究结果表明,mTMDC具有广泛的物理特性,从金属到半导体,非铁磁到铁磁,较为适合需要具有不同磁性的稳定窄带隙半导体应用。

新型等离激元光学和过渡金属二硫化物复合体系

过渡金属二硫化物(Transition Metal Dichalcogenides,TMDs)以其优异的光电子学特性,在诸如光捕获、光电探测、光电晶体管、发光二极管以及纳米激光器等领域中展现出了强大的应用潜力,成为当前研究前沿热点之一.少层TMDs材料的带隙处于可见和近红外区间,其激子在室温下具有很大的束缚能、高谐振子强度,且单层TMDs由于空间反演对称性的破缺具有能谷选择的圆二色性等,这些特性使得TMDs材料格外引人注目.金属纳米结构的表面等离激元具有亚波长的光局域特性,可通过合理的结构设计实现对其共振波长、频谱宽度、近场增强倍数、远场辐射特性的灵活控制.将等离激元光学结构和过渡金属二硫化物相结合可大幅拓宽纳米光子学前沿基础问题研究与纳米光电器件的设计应用.本文综述了表面等离激元和TMDs材料复合体系的最新研究进展,着重阐述了为何这类复合体系能够提供他们各自体系所不能具有的特性.比如,表面等离激元的近场增强(场局域)效应可极大增强许多纳米光学系统中的光与物质相互作用强度,可用于对TMDs材料的光吸收、光发射、光电流以及非线性光学等过程进行调制.TMDs材料具备的受外界环境调控的强激子效应和能谷选择的圆二色性等特性,可为表面等离激元纳米结构提供丰富的主动调制手段与能谷自由度.最后展望了该新型复合体系未来的研究方向和机遇.

基于TMD材料的CMOS反相器电路研究现状

对目前基于过渡金属硫族化合物(TMD)材料(MoS_(2)、WSe_(2)等)的互补金属氧化物半导体(CMOS)反相器电路相关研究进行了综述。总结了TMD材料的物理性质、制备方法和基于TMD的场效应晶体管器件的研究进展。对基于TMD的集成电路技术研究进行了介绍与分析。分别在结构设计、集成工艺、性能优化及电路集成等方面对基于TMD材料的CMOS反相器电路进行了总结与分析。介绍了两种集成结构及对应的工艺流程,详细分析了CMOS反相器电路性能优化的方法。最后指出了目前的关键挑战及未来的发展趋势。

MoS_(2)和MoTe_(2)同质结和异质结中的表面电势排列

过渡金属硫族化合物(TMD)薄层仅改变几何形状(如层厚)就可调节带隙、电子亲和势和费米能级,使器件设计更灵活。但因缺乏费米能级排列信息,TMD同质/异质结器件常因未知的能带弯曲而偏离预期。利用扫描开尔文探针显微镜(SKPM)表征了TMD同质/异质结,结果显示,Mo S_(2)和Mo Te_(2)同质结的费米能级随层厚增加向本征费米能级移动(背景掺杂浓度降低),而Mo Te_(2)/Mo S_(2)异质结中探测到宽耗尽区和强光响应,同时给出表面污染(分子尺度)对单层TMD表面电势的影响。上述发现将在器件设计中帮助精准堆叠范德华(vdW)层。

二维WSe_(2)化合物晶体图形化构筑综合性实验设计

二维材料图形化是实现器件规模化制备的有效途径,也是目前材料、物理和化学等学科的研究热点。基于此,该文设计了二维WSe_(2)化合物晶体图形化构筑的多学科交叉综合性实验,利用金属材料的诱导作用,采用化学气相沉积法,在SiO;/Si衬底上构筑了有序的WSe_(2)晶体阵列。扫描电子显微镜观测发现WSe_(2)晶体围绕着金属点生长,并形成了有序二维晶体图形;透射电子显微镜和拉曼光谱进一步确证了WSe_(2)晶体的高质量合成。该综合性设计性实验能有效打破学科壁垒,拓展学生的实验技能范围,培养学生的创新思维和科研能力。

用于FET的PECVD SiN_x掺杂MoS_2的有效性与可控性

通过化学气相沉积(CVD)工艺成功生长出少层MoS_2薄膜,用Raman光谱仪对材料进行表征,验证了三层MoS_2材料的存在。基于CVD生长出的三层MoS_2薄膜材料完成了背栅场效应晶体管(FET)的制作工艺研发。对MoS_2FET器件进行了电学特性表征,研制的MoS_2FET器件的开关比可达到1.45×10~6,器件的电子载流子场效应迁移率约为1 cm^2·V^(-1)·s^(-1)。对等离子增强化学气相沉积(PECVD)氮化硅(SiN_x)工艺掺杂MoS_2材料进行了研究,掺杂后器件的驱动电流提高了3倍多,验证了SiN_x掺杂MoS_2材料的有效性。通过控制PECVD SiN_x时间工艺参数对SiN_x薄膜厚度与掺杂浓度的关系进行了研究,随着SiN_x薄膜厚度增加器件的驱动电流逐渐增强,验证了SiN_x掺杂MoS_2材料的可控性。最后,对PECVD SiN_x工艺掺杂MoS_2材料的机理进行了讨论。

基于CVD单层MoS_2 FET的光电探测器

通过化学气相沉积(CVD)工艺在SiO_2/Si衬底生长出MoS_2材料,对材料进行喇曼光谱表征,验证了单层MoS_2的存在;基于CVD生长的单层MoS_2完成了晶圆级背栅场效应晶体管(FET)光电探测器的工艺研发;对MoS_2 FET器件进行了电学特性表征,开关比可达到105数量级,场效应迁移率约为1 cm2·V-1·s-1,栅极漏电流为10-10 A数量级;对MoS2FET器件的光电特性进行了表征,该光电探测器具有普通光电导探测器的基本光电特性,其光电流随光照强度的增强以及源漏电压的增加而增加,同时由于栅极的调制提高了光电探测器的灵活性。通过控制栅极电压能够控制MoS2FET光电探测器的暗电流大小,实现对探测器η参数的有效调制。最后通过器件能带图对MoS_2 FET光电探测器的光电特性进行了阐释,为其走向实际应用奠定了理论基础。

二维半导体材料纳米电子器件和光电器件

近年来,随着各领域对微电子器件集成度及性能要求的不断提高,发展基于二维半导体材料的新型高性能功能性器件成为了突破当前技术瓶颈的重要环节和关键方向。目前,作为新型二维半导体材料的代表,二维过渡金属二硫化物、二维黑磷以及范德瓦尔斯异质结凭借其在电学、热学、机械、光学等方面的优异性能已经成为了发展高性能纳米电子器件和光电器件的最具潜力的材料之一。在本综述中,首先概述了几种用于纳米器件的常见二维材料,分析了材料的结构、性能及其在纳米器件中的应用,其次重点对基于过渡金属二硫化物、黑磷以及由其衍生的范德瓦尔斯异质结的纳米电子器件和光电器件的最新研究进展进行讨论,最后对目前二维半导体纳米器件所面临的挑战以及未来的发展方向进行总结及分析,从而为未来发展高性能功能性纳米器件提供支持。

基于二维材料及其范德瓦尔斯异质结的光电探测器

近些年来,石墨烯、黑磷和过渡金属二硫化物以及其他二维材料受到了越来越多的关注。凭借其独特的结构和优异的电学、光学特性,这些二维材料在光电器件中得到了广泛应用,具有良好的发展潜力。本文概述了二维材料在光电探测器领域的最新研究进展,介绍了一些常见的二维材料及其制备方法,阐述了光电探测器件的基本原理和评价参数,以及回顾了二维材料及其异质结构在光电探测器中的应用,最后总结了该领域仍然面临的挑战并对其未来的发展方向进行了展望。