刘忠范院士，成会明院士，张晗等人近期成果汇总：8篇文献看二维材料最新应用进展

1. 清华大学ACS Nano：垂直化学气相沉积法生长高度均匀的二维过渡金属硫化物

二维过渡金属硫属化合物以其良好的物理化学性质在电子和光电子学领域具有广阔的应用前景，引起了人们的广泛关注。由于很难控制固体前驱体的浓度和空间上的不均匀生长动力学，到目前为止，在大范围内以良好的均匀性和重现性生长二维TMDCs是一个挑战，这严重阻碍了它们的实际使用。清华大学Bilu Liu教授和成会明院士为通讯作者在ACS Nano上发表文章，题为“Vertical Chemical Vapor Deposition Growth of Highly Uniform 2D Transition Metal Dichalcogenides”，报告了一种使用气体前驱体的垂直化学气相沉积(VCVD)设计，用于在整个衬底上生长密度均匀、质量高、重现性好的单层TMDCs。这种气体VCVD设计可以很好地控制TMDC生长过程中的三个关键参数，包括前驱体浓度、气体流量和温度，这在目前广泛使用的含固体前驱体的水平CVD系统中是无法做到的。统计结果表明，VCVD培养的单层TMDCs(包括MoS₂和WS₂)在cm以上的基质上具有良好的均匀性和质量。作者还利用VCVD生长的TMDCs具有良好的均匀性，采用一步转移的方法制备了多种范德瓦尔斯异质结构。这项工作为在大面积基底上生长具有高均匀性的二维材料提供了理论依据，可用于二维材料及其异质结构的晶片级制造。

Vertical Chemical Vapor Deposition Growth of Highly Uniform 2D Transition Metal Dichalcogenides, ACS Nano, 2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c00296.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c00296

2. Nano-Micro Lett.：用于自适应电子学和光电子学的应变诱导压电和压阻效应工程二维半导体的最新进展

二维半导体以其超薄的厚度、独特的结构、优异的光电性能和新颖的物理特性，引起了科学界和工业界的广泛关注。二维半导体优异的柔韧性和优异的机械强度为制造应变敏感器件和利用应变调整其电子和光电性能提供了机会。一维应变工程材料已经得到了很好的研究，而二维半导体还有很长的路要走。深圳大学张晗教授和北京科技大学齐俊杰教授为通讯作者从应变引起的压电效应和压阻效应的基本理论出发，综述了近年来在Janus二维半导体和2D-Xene结构中的应变工程模拟工作。此外，还综述了近年来对二维半导体应变调谐PL谱和输运行为的实验观察进展。此外，还重点介绍了应变工程二维半导体在传感器、光电探测器和纳米发生器中的应用。最后，对应变工程二维半导体及相关电子学和光电子器件应用的未来研究方向进行了深入探讨。

Recent Advances in Strain-Induced Piezoelectric and Piezoresistive Effect-Engineered 2D Semiconductors for Adaptive Electronics and Optoelectronics, Nano-Micro Lett., 2020, DOI: 10.1007/s40820-020-00439-9.

https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-020-00439-9

3. Matter:用于光催化和电催化的多孔二维材料

具有丰富平面内孔洞的二维材料(多孔二维材料)由于具有二维材料和多孔材料各自独特的微观结构优势，在光催化和电催化方面表现出了优异的催化剂性能。东北大学的李犁教授、王淑兰教授、牛萍副教授联合伦斯勒理工学院的石建副教授作为通讯作者共同回顾总结了多孔二维材料在光催化和电催化方面的进展。首先强调了它们特殊的结构优势对光催化和电催化过程的影响，包括离子和/或载流子的转运、表面活性位点、稳定性、修饰、电子带结构和光吸收性能。介绍了具有代表性的二维多孔材料的合成方法，并按自上而下和自下而上的方法进行了分类。并系统地介绍了它们在光催化和电催化的不同方面的应用。最后，作者提出了多孔二维材料发展的机遇和挑战，希望进一步促进这些新兴的先进材料在光催化和电解方面的应用。

Porous Two-Dimensional Materials for Photocatalytic and Electrocatalytic Applications, Matter, 2020, DOI: 10.1016/j.matt.2020.04.002.

https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.04.002

4. Adv. Mater.基于深度学习的二维材料快速光学识别和表征

先进的显微镜和/或光谱学工具在纳米科学和纳米技术研究中扮演不可或缺的角色，因为它们提供了关于材料过程和性质的丰富信息。然而，成像数据的解释在很大程度上依赖于经验丰富的研究人员的“直觉”。因此，通过这些工具获得的许多深层图形特征往往没有被使用，因为在处理数据和寻找相关性方面存在困难。这些挑战可以通过深度学习很好地解决。北京航空航天大学尹继豪团队和美国美国麻省理工学院的Tomás Palacios团队、Jing Kong团队、Pablo Jarillo-Herrero团队在《Advanced Materials》期刊上发表题为“Deep-Learning-Enabled Fast Optical Identification and Characterization of 2D Materials”的研究论文。以二维材料的光学表征为例，提出了一种具有高预测精度和实时处理能力的基于神经网络的二维材料和厚度识别算法。进一步的分析表明，经过训练的网络可以提取深度图形特征，如对比度、颜色、边缘、形状、片状大小及其分布，在此基础上开发了一种集成方法来预测二维材料最相关的物理特性。最后，采用转移学习技术使预训练的网络适应于其他光学识别应用。这种以人工智能为基础的材料表征方法是一种强大的工具，可以加速2D材料和其他纳米材料的制备、初始表征，并有可能加速新材料的发现。
Deep-Learning-Enabled Fast Optical Identification, Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202000953.

https://doi.org/10.1002/adma.202000953

5. Adv. Funct. Mater.MXene异质结构具有优异性能的电容器

2D/2D异质结构可以结合每个2D材料的共同优势，甚至显示出协同效应的改善性能。2D过渡金属碳化物Ti₃C₂ MXene和2D 1T‐MoS₂由于其丰富的性能，已成为电化学领域具有吸引力的原型。由于1T‐MoS₂的不稳定性，这两种2D材料的构建以及协同效应的研究都是缺失的。
合肥物质科学研究院固体所功能材料研究室朱雪斌研究员课题组在强磁场下二维材料合成制备方面取得新进展，采用强磁场水热法合成了1T-MoS₂和Ti₃C₂ MXene异质结构。在三维互联网络中，由于增效相互作用，增大了离子存储空间，从而提高了额外的电容。更重要的是，异质结构复合材料甚至可以通过协同效应显示出改进的性能。由Ti₃C₂ MXene产生的超快电子输运实现了优异的速率性能。相关工作以“2D/2D 1T-MoS₂/Ti₃C₂ MXene Heterostructure with Excellent Supercapacitor Performance”为题发表在Advanced Functional Materials。

2D/2D MoS₂/Ti₃C₂ MXene Heterostructure with Excellent Supercapacitor Performance Advanced Functional Materials, 2020, DOI:10.1002/adfm.201910302.

https://doi.org/10.1002/adfm.201910302.

6. Nano Lett.SnSe₂/MoTe₂断隙范德华异质结中结模式调节

韩国成均馆大学Hye Min Oh教授和Mun Seok Jeong教授团队联合研究制备了一种基于SnSe2/MoTe2断隙范德华异质结多功能器件，这种具有模式可调的范德华异质结构显示出高性能的Esaki二极管、后向二极管、红外（IR）光电探测器和光电特性。此外，在811 nm激光照射下，异质结构表现出高达7.5×10¹² Jones的光检出率。此外，为了利用静电栅偏压，V_oc可以通过转换异质结的积累模式到耗尽模式而由负调到正。此外，光伏效应的填充因子超过41%，这突出了光电应用的重大潜力。

Modulation of Junction Modes in SnSe₂/MoTe₂ Broken-Gap van der Waals Heterostructure for Multifunctional Devices, Nano Letters,2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b04926.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04926

7. Adv. Mater.：用于高性能短波红外光探测的石墨烯上的超低跃迁能有机复合物

室温、高灵敏度和宽带光探测，直至短波红外(SWIR)区域，对于各种光电应用，包括污染识别、热成像、夜视、农业检查和大气遥感，都具有极其重要的意义。基于小型带隙半导体的SWIR光电探测器通常需要深度冷却，以抑制热产生的载流子，从而提高灵敏度。同时，光浮栅效应可以提供一种不需要冷却就可以获得高光敏性的替代方法。光浮栅效应源于光诱导载流子在缺陷或界面上的电荷俘获，导致极高的光增益。国家纳米科学中心谢黎明研究员团队通过在石墨烯晶体管上集成有机电荷转移复合物，制备了高灵敏度的SWIR混合光电探测器。有机电荷转移复合物（TTF-CA）具有低至0.5 eV的出色低能分子间电子跃迁，能够在大于2 μm的波长下实现有效的SWIR吸收。在有机复合物和石墨烯界面处的光浮栅效应可在室温下对2 μm波长实现极高的光增益，≈10¹³ Jones的高探测率以及8 ms的响应时间。文章以“Ultralow-Transition-Energy Organic Complex on Graphene for High-Performance Shortwave Infrared Photodetection”为题发表在著名期刊Advanced Materials上。

Ultralow-Transition-Energy Organic Complex on Graphene for High-Performance Shortwave Infrared Photodetection,Adv. Mater., 2020, DOI:10.1002/adma.202002628.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002628

8. 孙靖宇&刘忠范AM：垂直生长的石墨烯地毯Janus隔膜稳定锌负极

锌金属负极已经引起了广泛的科学研究兴趣。然而，制约其大规模应用的主要瓶颈是电化学稳定性差和循环寿命不理想。苏州大学孙靖宇课题组展示了一种直接生长在玻璃纤维隔膜上的垂直石墨烯地毯，一个简单的空气等离子体处理进一步使氧和氮杂原子成功地结合在裸石墨烯上。由此构成的Janus隔膜可以稳定锌负极上的镀锌层。3D导电VG骨架同时提供了充足的表面积、多孔结构和亲锌性，反过来，Janus分离器收获均匀的电场分布，降低了阳极/电解液界面的局部电流密度，并利用良好的亲锌特性来建立均匀的锌离子通量。从而保证镀锌/剥离均匀进行，保持高可逆性。因此，使用Janus隔膜的电池具有较高的性能。另外，采用Janus隔膜的柔性锌离子电池，在变形条件下具有很高的电化学稳定性。这种高效率、低成本的隔膜改性策略，将为下一代储能系统的设计开辟一条新的途径。Directly Grown Vertical Graphene Carpets as Janus Separators toward Stabilized Zn Metal Anodes, Advanced Materials, 2020, DOI: 10.1002/adma.202003425.

https://doi.org/10.1002/adma.202003425

本文由纳米小白供稿。

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