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關(guān)于探討二維金屬硫化物的制備及光電化學(xué)性能研究分析的論文
從1985 年發(fā)現(xiàn)的富勒烯， 到1991 年發(fā)現(xiàn)的碳納米管，碳材料一直是科技創(chuàng)新的前沿領(lǐng)域。自2004 年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家首次用機(jī)械剝離法得到了單層或少層的新型二維原子晶體， 并為此命名為石墨烯以來(lái)， 在近10 年的時(shí)間里，石墨烯因其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)和電化學(xué)特性而備受人們青睞，現(xiàn)已在鋰離子電池、太陽(yáng)能電池、傳感器等方面獲得應(yīng)用，表現(xiàn)出極佳的性能。盡管如此，本征的石墨烯不存在帶隙，這嚴(yán)重限制了其在電子及光電子器件方面的應(yīng)用，即使經(jīng)過(guò)化學(xué)改性獲得小的能帶間隙， 但都必須以犧牲其他性能為代價(jià)，這就促使人們?nèi)パ芯啃碌亩S材料。過(guò)渡金屬二硫化物(MoS2、WS2、TiS2等)、過(guò)渡金屬氧化物(TiO2等)以及與石墨類似的氮化硼等都是二維類石墨烯材料，其中以二維過(guò)渡金屬二硫化物最引人注目。
二維過(guò)渡金屬二硫?qū)倩衔锞哂腥髦谓Y(jié)構(gòu)，中間的夾心層由金屬原子(Mo，W，Nb，Re，Ni，V 等)以六邊形構(gòu)成，上下兩層由硫簇原子(通常是S，Se 和Te)，形成了大約40 種不同的材料。目前，二維金屬硫化物的制備方法有機(jī)械剝離法，電化學(xué)鋰離子插層剝離法， 超聲處理液相剝離法和化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)法。機(jī)械剝離法是最傳統(tǒng)的制備石墨烯的方法，也是獲得單層MoS2 最原始、最簡(jiǎn)單的方法，這種方法獲得的樣品缺陷少，可用于樣品基本物理性質(zhì)的研究，但是樣品產(chǎn)量比較低，不適合大規(guī)模的生產(chǎn)。在后來(lái)的研究工作中， 新加坡南洋理工大學(xué)Zhang 教授課題組研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)電化學(xué)的方法準(zhǔn)確控制Li+在塊體材料層間的插入量, 發(fā)展出一種簡(jiǎn)單合成單層二維類石墨烯結(jié)構(gòu)納米材料的有效方法�；瘜W(xué)氣相沉積生長(zhǎng)法主要是在高溫下通過(guò)Mo 和S 蒸氣反應(yīng)，在襯底上生成MoS2 薄膜。通常將沉積有一層Mo 薄膜的SiO2基底和純硫粉分別置于管式爐的中央高溫區(qū)和邊緣低溫區(qū)，在氮?dú)鈿夥障�，先加熱�?00℃然后加熱到750℃保持10 min， 自然冷卻到室溫即可得到二維MoS2。
目前二維金屬硫化物的研究主要存在以下4 個(gè)主要問(wèn)題和挑戰(zhàn)：
(1)二維金屬硫化物的大尺寸可控合成還頗具挑戰(zhàn)性
化學(xué)剝離法在溶液中進(jìn)行，在二維金屬硫化物復(fù)合材料的制備方面優(yōu)勢(shì)明顯，但通常結(jié)晶質(zhì)量不高，尺寸較小。鋰離子插層剝離法可大量制備二維金屬硫化物，但也無(wú)法控制層數(shù)及尺寸�；瘜W(xué)氣相沉積法在二維金屬硫化物尺寸、層數(shù)及物理性質(zhì)控制方面有優(yōu)勢(shì)，是制備二維金屬硫化物電子及光電子器件的首選合成方法，但目前制備工藝也不成熟。
(2)二維金屬硫化物的物理性質(zhì)的調(diào)控還尚待研究
二維金屬硫化物優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)令人鼓舞，已有諸多報(bào)道證實(shí)它們?cè)谖㈦娮蛹肮怆娮悠骷矫娴臐撛趹?yīng)用前景，但目前研究還停留在對(duì)二維金屬硫化物性質(zhì)的認(rèn)知方面，如何有效調(diào)控其物理性質(zhì)，使之服務(wù)于器件應(yīng)用尚需大量的研究工作。
(3)類石墨烯金屬硫化物與石墨烯異質(zhì)或復(fù)合材料的新奇特性尚待探索
二維金屬硫化物石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)等尚未見(jiàn)有系統(tǒng)的研究報(bào)道。如何將石墨烯和二維金屬硫化物優(yōu)異的性質(zhì)相結(jié)合需要進(jìn)一步的研究。石墨烯與二維金屬硫化物的液相合成方法類似，這使大規(guī)模制備相關(guān)復(fù)合材料成為可能， 而目前關(guān)于石墨烯/二維金屬硫化物復(fù)合材料的研究報(bào)道也為數(shù)不多。
(4)二維金屬硫化物在鋰離子電池及超級(jí)電容器方面的應(yīng)用值得期待
二維金屬硫化物獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征使其在鋰離子電池及超級(jí)電容器方面有巨大的應(yīng)用前景，大規(guī)模制備及三維結(jié)構(gòu)的自組裝是電極應(yīng)用的前提。隨著二維金屬硫化物制備手段的提高和研究的不斷深入， 其在能量存儲(chǔ)方面的性能也將不斷提高，有望成為新一代的鋰離子電池及超級(jí)電容器的電極材料。
目前對(duì)于準(zhǔn)二維金屬硫?qū)倩衔镱愂┙Y(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)及應(yīng)用研究?jī)H掀起了冰山一角, 還需要科研工作者進(jìn)一步發(fā)展新的化學(xué)合成方法并探索其反應(yīng)機(jī)理, 以制備出形貌均一、層數(shù)一致、組成更多樣、單晶面積更大的準(zhǔn)二維金屬硫?qū)倩衔镱愂┙Y(jié)構(gòu)材料, 為深入研究這類結(jié)構(gòu)的物性、開展其功能應(yīng)用工作奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。綜上所述，對(duì)二維金屬硫化物在單原子層的尺度上進(jìn)行材料的研究及性能調(diào)控，是繼石墨烯之后材料科學(xué)研究的又一大進(jìn)步， 在未來(lái)10 年將是材料學(xué)科研究的主流方向。
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