南科大林君浩课题组使用LV-STEM在二维材料表面和界面性质调控领域取得系列重要进展

近日，南方科技大学物理系副教授林君浩课题组在二维材料缺陷介导的电学性质和催化性能调控等领域取得系列研究进展，相关成果以《Tuning Electrical Conductance in Bilayer MoS₂ through Defect-Mediated Interlayer Chemical Bonding》（利用缺陷介导的层间化学键调控双层MoS₂中的电导）和《Unsaturated Single Atoms on Monolayer Transition Metal Dichalcogenides for Ultrafast Hydrogen Evolution》（单层过渡金属二硫族化合物表面的配位不饱和单原子实现超快析氢）为题，相继在ACS Nano（IF：14.588）期刊上发表。

层状过渡金属硫族化合物（MX₂，M=过渡金属，X=硫族元素）是二维家族中的重要一员，因其独特和丰富的物理性质，在自旋电子学、谷电子学和非线性光学等领域备受科研工作者青睐。这类材料的一个最为显著的特点是其物性受层间相互作用调控（例如直接带隙的MoS₂单层在双层情况下变为间接带隙）。尽管如此，由于缺乏层间轨道杂化，大部分MX₂型半导体材料的层间相互作用非常微弱，电子传输在相邻层间解耦合。如何增强此类材料的层间相互作用，是设计层数分辨新型二维材料器件的关键难题，也是当今二维材料研究领域备受关注的挑战之一。

在林君浩团队与南京大学缪峰团队的合作中，研究团队通过V原子替位Mo原子，制备V原子替位掺杂的双分子层MoS₂，实现缺陷介导的电导率调控。V掺杂单层MoS₂器件表现出双极性场效应特性，其双层器件表现出重p型场效应特性，更为重要的是，双层掺杂样品的电导率比单层掺杂样品的电导率增强了3个数量级以上（未掺杂的单双层MoS₂器件具有相似的n型电学输运行为）。

图1. 单、双层V掺杂MoS₂的STEM和XPS表征。（a-c）单层V掺杂，3R堆叠双层V掺杂和2H堆叠V掺杂MoS₂的HAADF-STEM照片；（d-f）单层V掺杂，3R堆叠双层V掺杂和2H堆叠双层V掺杂MoS₂中Mo，V和S原子的数量分布；（g）单层V掺杂MoS₂的EELS谱，（h，i）V掺杂MoS₂的XPS全谱图和V原子的XPS精细扫描谱。

为了揭示产生背后的物理机制，研究团队使用球差矫正的低压扫描透射电子显微镜（LVSTEM）在原子尺度上精确测绘了单双层V掺杂MoS₂的原子结构，并借助亚埃级空间分辨的电子能量损失谱确认了不同衬度原子位点的化学种类。进而，通过强度分布直方图准确统计出单层样品的晶格V掺杂浓度为9%，而在3R和2H堆垛双层中，上下层V掺杂浓度存在差异，下层为9％，上层为6％。在确认了原子结构和V原子掺杂浓度的基础上，进一步采用第一性原理计算，对比了V掺杂单双层MoS₂的能带结构和电子态密度，从而揭示了双层掺杂样品电导率的提升，主要归因于无序掺杂的V原子激活了相邻层之间S-3pz轨道，从而增强层间轨道杂化并形成了额外的电输运网络。

图2. 器件示意图，掺杂和未掺杂单双层MoS₂的场效应曲线。（a，b）器件结构示意图和实物图；（c）单层和（b）3R堆叠双层V掺杂MoS₂的场效应曲线，内插图是2H堆叠双层V掺杂MoS₂的场效应曲线；（e）单层和（f）双层未掺杂MoS₂的场效应曲线。所有场效应曲线都在源漏电压Vds=1 V下测得。

单层情况下，V掺杂会在MoS₂的带隙中引入主要由V-3d轨道（以及Mo-4d轨道）形成的缺陷能级，在实空间中这些电子态的局域化程度很高，因此不参与导电。而双层情况下，V掺杂在MoS₂的价带顶附近引入了大量间隙态（gap states）。这些态激活了S-3pz轨道，使其形成能够贡献导电的价带边电子态。这些面外的S-3pz轨道表现出强色散性（在能量空间），和良好的延展性（在实空间），从而形成了额外的导电网络。此外，大量的V掺杂还能够有效地在带边附近积聚载流子。这两种效应的协同作用最终大幅增强了V掺杂双层MoS₂的电导率。

该研究结果为调控二维材料的层间相互作用提供了一种新思路，为设计基于可调层间相互作用的新原理器件提供了物理基础，且有望扩展到其他MoSe₂、WS₂、WSe₂和ReS₂等弱耦合的2D MX₂材料中，展示出在低功耗电子产品中应用的潜力。

图3. V 掺杂的MoS2第一性原理计算。（a）单层V掺杂MoS2的电子结构及其不同原子轨道在电子结构中的分布，（b）实空间中，带边电荷分布图。（c，d）双层V掺杂MoS2中的情况。

南京大学博士生张利利，南方科技大学博士生王刚和张玉波研究副教授为论文共同第一作者，南京大学缪峰教授，梁世军副研究员和南方科技大学林君浩副教授为论文共同通讯作者。

文章链接：

Tuning Electrical Conductance in Bilayer MoS₂ through Defect-Mediated Interlayer Chemical Bonding

目前，铂金属（Pt）是电催化析氢反应（HER）的主要催化剂。但Pt稀缺且价格昂贵，限制了其规模化使用的可能。寻找高效、稳定的Pt催化剂替代品成为了该研究领域长期的目标。MoS₂具有储量大和低成本的特性，且边缘被证明具有优异的催化活性，从而成为了理想候选物之一。但MoS₂的基面表现出催化惰性，整体性能受限于活性位点密度。科研人员尝试通过缺陷工程和表面修饰的手段激活MoS₂的基面催化活性，但是会不可避免的破坏材料晶体结构，从而阻碍电子或质子的传递。

林君浩团队在与清华伯克利深圳学院（TBSI）的刘碧录和邹小龙团队合作中，提出通过低温氢气等离子体还原单层MoS₂（WS₂），创造高密度均匀分散在同源单层MoS₂（WS₂）表面的Mo（W）单原子，密度泛函（DFT）计算显示这些金属单原子配位不饱和，展现出与S空位附近Mo原子相似的催化活性，同时MoS₂微型电化学反应器件测试进一步证明了处理后样品的优异电化学析氢能力。

研究团队利用LVSTEM精确观测了Mo/W单原子在单层MoS₂/WS₂样品上的分散情况，统计结果证明冷氢等离子体处理后的样品Mo/W单原子浓度相比未处理的样品提升了至少两个数量级，Mo/W单原子偏好位于同源二维载体的阳离子位点上方。同时，结合傅里叶变换的结果可以观察到处理后的样品保持了六方晶格的高完整性，说明Mo-S/W-S键的断裂主要发生在边缘区域。受益于单原子活性位点和二维载体的简化系统，以及能够被准确测绘的原子结构，负载单原子的二维体系可被视作理想的催化机理研究平台。通过DFT计算，证明了负载于单层MX₂材料表面的金属原子配位不饱和，这些不饱和金属原子的轨道容易与H杂化，与MoS₂单分子膜相比，增加了Mo-H键合强度，促进了氢的快速吸收和解吸，同时降低了费米能量，导致了更低的ΔGH*，从而在基面上表现出更高的HER活性。单片MOS₂微型电化学反应器件的测试，显示负载有Mo单原子的样品具有很小的Tafel斜率（36.4 mV dec-1）和低的过电位（260 mV @400 mA/cm²），是目前报道的MoS₂基催化材料的最优性能之一。

该项研究结果提供了一种制备、研究单原子/二维材料模型催化剂的普适方法，不仅对设计高效电催化剂具有指导意义，而且为研究单原子催化剂机理提供了一种新思路。

图4：在单层二维材料表面创造的金属单原子催化剂。（a-c）常见的活性位点，Mo单原子/单层MoS₂体系活性位点和冷氢等离子体还原制备共生单原子示意图。（d）Mo单原子/单层MoS₂和W单原子/单层WS₂样品的HAADF-STEM图像， d和e的比例尺为1 nm。（f）二维单层上Mo和W单原子的密度统计结果。

图5. Mo单原子/单层MoS₂催化剂的HER性能。（a-c）冷氢等离子体处理前后的单层MoS₂薄片和随后的电化学测试示意图。（d）基于单层MoS₂薄片的电化学反应系统光学图像。（e）原始单层MoS₂，Mo单原子/ 单层MoS₂和Pt样品在H₂SO₄（0.5 M）和KOH（1.0 M）中的极化曲线和（f）Tafel曲线。

TBSI 2017级博士生罗雨婷、博士后张树清为论文共同第一作者，TBSI刘碧录副教授，邹小龙副教授和南方科技大学林君浩副教授为论文共同通讯作者。

文章链接：

Unsaturated Single Atoms on Monolayer Transition Metal Dichalcogenides for Ultrafast Hydrogen Evolution

林君浩副教授，南方科技大学物理系副系主任，国家青年特聘专家，博士生导师，深圳市新型量子功能材料与器件重点实验室执行副主任，广东省“珠江人才计划”创新创业团队带头人，深圳市“孔雀计划”高层次人才团队带头人。博士毕业于美国范德堡大学（Vanderbilt University），后赴日本任JSPS特聘研究员。林君浩博士主要利用高分辨扫描透射电镜和第一性原理计算作为研究工具，致力于实验与理论相结合的手段研究二维材料中原子结构与材料性能之间的关联。近5年来，在Nature，Nature Nanotechnology，Nature Materials，Nano Letters，PRL，Advanced Materials， ACS Nano等高影响期刊发表70余篇文章，总引用次数超过6000多次，H因子31。多次在国际学术会议及高校论坛做邀请报告，担任Nature, Nature Communication等期刊审稿人。目前承担多项国家与省市级科研项目。