武汉理工《AFM》:速度超快,原子级厚MoS2的剥离方式获突破!

二硫化钼薄层技术 化学材料技术
材料科学与工程    2020-12-18    1087

  编辑推荐:原子级厚的过渡金属二氯代物(TMDs)的大规模化学剥落是一个相当缓慢的过程。在此,本文报道了快速进行二硫化钼剥离的新方法。这些结果说明了重新组装的二硫化钼薄层在光学、催化和传感器方面的广阔前景。

  目前为止,原子级薄膜TMDs生产的研究主要集中在两个领域,“自上而下”的剥离方法和“自下而上”的化学气相生长。但这两种方法要么在大规模生产中需要很长时间,要么需要高温和精确的条件,并且还会引入大量的晶体学缺陷。所以,原子级薄膜TMDs生产快速、简单、高效率和高产量的制备方法仍然是一个重要的问题。

  武汉理工大学麦立强教授(点此)团队提出了一种电化学剥离方法,这是一种有效的策略,可以直接将较大质量的2D TMDs块转变为原子级薄度的2D TMDs。相关论文以题为“Electrochemically Exfoliating MoS2 into Atomically Thin Planar-Stacking Through a Selective Lateral Reaction Pathway”发表在Advanced Functional  Materials上。

  论文链接https://onlinelibrary。wiley。com/doi/full/10。1002/adfm。202007840

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  研究结果发现,这种策略是一种很有前途的剥离方法,它具有剥离速度超快(几十秒)、原子级均匀薄层(两层/三层)和高保留率(30-40%)的特点。与二硫化钼体(347毫伏)相比,剥离的薄层二硫化钼作为析氢反应(HER)的电催化剂更有效,显示出更低的过电位(127毫伏)。此外,使用10–8M若丹明6G(R6G)作为目标分析物,剥离二氧化硅被证明能显著提高使用表面增强拉曼光谱(SERS)的灵敏度增强因子(1。15 × 105)。这种剥离的二硫化钼在纳米流体、受限电催化、量子器件、传感器等方面具有广阔的应用前景。

  研究人员展示了一种电化学策略来实现从体到2D相变材料的快速转变。如图1所示,均匀的双层/三层二氧化硅层最终被保留并形成堆叠结构。这种电化学剥离方法能在短时间内产生原子级的二氧化硅薄膜,形成的均匀层叠的几层2D薄膜显示出巨大的应用潜力。

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  图1 二氧化硅块的选择性剥离和形成的堆叠结构的示意图。a)基于芯片器件的电化学结构示意图。RE和CE代表参比电极(饱和甘汞电极,SCE)和反电极(Pt电极)。b)由侧向向内电化学反应驱动的过程示意图,水分子通过形成的2D通道进入本体相。

  为了研究单个TMD片的动态结构演变,研究人员基于单个二硫化钼片制作了片上电化学器件。研究结果发现,当在较高电位区域(0。2–1。4V vs SCE)进行循环伏安测试时,会捕捉到明显的氧化还原转变。在获得这一电化学信号后,比较了等速测试前后二硫化钼的光学图像(图2a,c)。发现,CV测试后的二硫化钼边缘显示出从黄色到绿色的颜色变化(图2c)。图2b显示了初始二氧化硅的ΔV分布的情况。对于电化学处理后的二硫化钼,变色区域的Δν降低至≈22。5cm-1(图2d)。选定位点的拉曼光谱如图2e–g所示。

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  图2  a) SiO2/Si晶片(300纳米氧化层)上的单个二氧化硅块的光学图像。b) 二硫化钼的两个典型振动带(E12g≈383cm-1,A1g≈408cm-1)的波数差(Δν)的映射。c,d)同一个二硫化钼在硫酸锌电解液中电化学处理后的光学图像和Δν图形。e-g)初始二硫化钼的拉曼光谱和在三个选定部位处理后的拉曼光谱。

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  图3 二硫化钼片在硫酸锌电解液中的电化学过程中的原位光学快照(首先增加到1。4 V vs SCE,然后返回)。b)在钛箔上电化学处理后的典型二硫化钼片的光学图像。c)Δν的对应映射。d)在(b)中二硫化钼片上三个选定位置的拉曼光谱。

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  图4 a)不同层数的二硫化钼和硒化钼的能带图。b)剥离后二硫化钼边缘和基面的厚度示意图。c)整体厚度和剥离厚度之间的关系。c)不同循环数处理(0、200和300次循环)后二硫化钼的极化曲线。e)相应的塔菲尔斜率图。

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  图5 a)不同浓度的R6G吸附在剥离的二硫化钼上的拉曼光谱。b)吸附在二硫化钼块上的不同浓度R6G的拉曼光谱。c)拉曼光谱沿图(d)中绿色虚线的线扫描。e)电化学剥离后,钛箔上二硫化钼片的光学图像,其中一半剥离成薄层。绿色虚线代表图(c)中的拉曼映射测试方向。d)沿着测试线,R6G振动带的最大强度。

  总的来说,作者展示了将二硫化钼块剥落成两层/三层薄片的温和、快速的电化学处理方法。剥离的二硫化钼在纳米流体、量子器件、传感器等方面具有广阔的应用前景。(文:8Mile)

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