北京航空航天大学实现二维材料合成方法新突破

近日，北京航空航天大学宫勇吉教授团队与北京大学吴凯教授团队合作在Nature Synthesis期刊上发表了一篇题为“Flux-assisted growth of atomically thin materials”的研究成果。

课题组突破传统方法合成二维材料的限制，采用熔体辅助析出的方法，高效可控地实现了近100种超薄纳米片材料的合成，包括传统方法无法合成的复杂多元层状或者非层状超薄二维单晶材料。论文通讯作者是宫勇吉、吴凯；第一作者是张鹏、王兴国、江华宁。

二维材料由于特殊的物理和化学特性，近年来引起了大量关注。尤其是这些原子薄材料为在二维极限层面探索催化、磁性、超导和拓扑性质提供了理想的平台。因此，高质量二维材料的可控制备已经成为其在电子和信息产业应用的先决条件。化学气相沉积（CVD）和机械剥离（ME）已被广泛应用于各种超薄材料的制备，但是这些方法目前面临越来越多的挑战。CVD气相反应的特性，决定了其在制备多元素材料时，气相分布不均匀往往会导致相分离，因此很难可控合成复杂多元二维材料。另外，对于具有一些特殊性质的非层状材料，由于其材料高表面能或者晶面之间较强的键合能，既不能被CVD合成，也不能被ME机械剥离。

有鉴于此，为突破传统方法合成二维材料的限制，北京航空航天大学宫勇吉教授团队联合北京大学吴凯教授团队，提出一种全新、简单、强大且高效的熔体辅助生长二维材料的普适性策略。该方法利用经典生长单晶的熔体析出过程辅以空间限域，成功制备出一系列超薄二维单晶，包括层状或者非层状，少元或者多元二维单晶。另外，该方法也展现出制备二维单晶薄膜的潜力。不同于气相沉积方法，熔体析出法具有高效稳定、组分可控、重复性高等优点。特别的，该方法对外在生长条件，如温度、气流大小、前驱体数量等具有极高容忍度。

图1：a-d. 熔体辅助析出过程及生长机制。e-h. Fe₅GeTe₂、AgCrS₂重复率及厚度分布统计和条件容忍度。

熔体辅助生长方法具有高重复率及对生长条件高容忍度。以Fe5GeTe2及AgCrS2为代表性的二维材料，生长重复率均接近100%，约为98%。另外，其生长气流大小可在50-500 sccm变化，生长温度区间可达接近200 °C，显示出熔体辅助法的优越性。

图2：合成的80种超薄二维单晶及代表性的大尺寸单晶及厘米级薄膜。

熔体辅助生长方法具有普适性。利用熔体辅助析出方法，成功制备出80种具有代表性的超薄二维单晶。其中包括层状和非层状，少元和多元和大尺寸单晶及薄膜二维材料。特别的，其中以CuCrTe2、FeGe、BiFeO3等为代表的非层状材料，既难以被CVD合成，也不能被机械剥离。充分证明了熔体辅助生长方法的独特性和优越性。

图3：代表性材料Fe₃GeTe₂、Fe₅GeTe₂、MnPS₃、CuInP₂S₆结构及比例分析。

熔体析出二维单晶比例控制准确，性能优异。球差电镜测试结果表明材料结晶性能良好，元素比例准确。PFM测试结果证明了生长的超薄In2Se3具有明显铁电性能，可以和机械剥离In2Se3纳米片相媲美。NbSe2超导测试结果与CVD及机械剥离NbSe2二维片相当，表明熔体析出样品出色的结晶性。

图4：In₂Se₃铁电性能及NbSe₂超导性能表征。

该研究提出一种不同于传统合成二维材料的普适性新方法，为合成更多复杂多元二维材料，非层状二维材料及大尺寸薄膜铺平了道路。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-022-00165-7

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