国家纳米科学中心&河南师范 AFM : 一种新型二维MOX材料YbOCl的生长和拉曼散射研究

【背景介绍】

近些年来，由于二维（2D）层状材料具有内部化学键强、层间范德华力相对较弱的优点，在下一代电子和光电子器件中具有潜在的应用价值而引起了广泛的关注。目前2D层状材料的研究主要集中在石墨烯等少数明星材料上，但是这些明星材料的电子性能具有相对较低、稳定性差、生产效率低下等缺点，因而限制了其实际应用。最近，以2D Bi₂O₂Se晶体为代表的2D层状含氧化合物具有高的霍尔迁移率、高空气稳定性等优点，这标志着其在超快、柔性光电器件中有巨大应用潜力。MOX (M = Fe, Co, Mn, Cr, Lanthanide or Actinide metals; O = oxygen, X = F, Cl, Br, I)作为2D层状材料的著名一员，在理论上被预测具有优异的电子和磁性性能，但是如今对于MOX的合成、性能和应用的研究仍然很少。作为MOX的成员层状氯氧化镱（YbOCl）被预测具有铁磁性性能，但是YbOCl晶体的制备及基本性质尚未被探索。

【成果简介】

近日，国家纳米科学中心的何军研究员、王振兴研究员和河南师范大学的夏从新教授（共同通讯作者）联合报道了他们首次通过常压化学气相沉积法（APCVD）成功合成了超薄高质量的氯氧化镱（YbOCl）单晶。利用理论模拟和实验测量来系统地研究2D YbOCl纳米片的拉曼特性。实验观察到在85.53 cm^-1的E_g模式和在138.17 cm^-1处的A_1g模式与密度泛函理论（DFT）计算结果的相匹配。同时温度依赖性和厚度依赖性的拉曼散射光谱揭示YbOCl纳米片中相邻层显示相对弱的范德华相互作用。此外，偏振拉曼散射光谱显示A_1g模式的强度随旋转角度呈现双重模式，而E_g模式的强度随旋转角度变化保持恒定。这些发现提供了关于2D YbOCl晶体的相关实验信息。研究成果以题为“Growth and Raman Scattering Investigation of a New 2D MOX Material: YbOCl”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

论文的第一作者为国家纳米科学中心2017届研究生姚雨雨。

【图文解读】

图一、蓝宝石基底上2D YbOCl纳米片的结构、形貌和表征
（a）YbOCl晶体结构的示意图；

（b）YbOCl晶体结构的俯视图；

（c）在蓝宝石基底上生长的YbOCl纳米片的典型OM图像；

（d）蓝宝石基底上的YbOCl纳米片的XRD曲线；

（e）YbOCl纳米片的高分辨率TEM图像；

（f-h）Yb 4d，O 1s和Cl 2p轨道生长的YbOCl纳米片的XPS光谱。

图二、六方YbOCl纳米片的结构表征
（a）六边形YbOCl纳米片的高分辨率TEM图像；

（b）六边形YbOCl纳米片的相应SAED图案；

（c）EDS对六边形YbOCl纳米片进行元素分析；

（d-f）六边形YbOCl纳米片的Yb、O和Cl元素映射。

图三、体相YbOCl单晶声子色散的DFT计算
（a）DFT计算的声子色散；

（b-g）所有拉曼激活模式的原子位移图。

图四、三角形YbOCl纳米片的温度依赖拉曼光谱和厚度相关拉曼光谱
（a）三角形YbOCl纳米片的典型拉曼光谱；

（b-c）基于E_g和A_1g模式的强度的2D拉曼映射图像；

（d）温度相关的拉曼光谱；

（e-f）E_g和A_1g模式的拉曼频率分别作为温度的函数；

（g）厚度依赖拉曼光谱；

（h-i）E_g和A_1g模式的拉曼强度和拉曼位移的厚度依赖性。

图五、2D三角形YbOCl纳米片的角分辨偏振拉曼散射光谱
（a, c）在平行配置和交叉极化配置下的三角形YbOCl纳米片的偏振拉曼光谱；

（b, d）在平行配置和交叉极化配置下三角形YbOCl纳米片的偏振拉曼光谱的假彩色图；

（e, f）作为入射光的旋转角度的函数的E_g和A_1g模式的拉曼频率的极坐标图。

图六、2D六边形YbOCl纳米片的角分辨偏振拉曼散射光谱
（a, c）在平行配置和交叉极化配置下的六边形YbOCl纳米片的偏振拉曼光谱；

（b, d）在平行配置和交叉极化配置下六边形YbOCl纳米片的偏振拉曼光谱的假彩色图；

（e, f）作为入射光的旋转角度的函数的E_g和A_1g模式的拉曼频率的极坐标图。

【总结】

综上所述，作者通过简便的APCVD生长方法成功合成了厚度小于10 nm的高质量单晶2D层状YbOCl纳米片。通过有效控制获得具有相同晶体结构的超薄六边形和三角形YbOCl纳米片。利用实验测量和理论计算首次系统的研究了生长的YbOCl纳米片的拉曼性质，其中E_g和A_1g模式的实验频率与计算的拉曼结果一致。同时E_g和A_1g拉曼模式的较小的一阶温度系数χ显示YbOCl晶体具有相对较弱的层间相互作用。此外，角度分辨偏振拉曼测量表明，当旋转角度改变时，A_1g模式的强度呈现双重模式，而E_g模式的强度保持恒定。关于YbOCl更多的物理化学性质，仍然需要进一步的研究。

文献链接：Growth and Raman Scattering Investigation of a New 2D MOX Material: YbOCl（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI:10.1002/adfm.201903017）

本文由CQR编译。

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