普渡大学&苏州大学Nat. Mater.：首次合成五边形二维材料！

一、【科学背景】

随着二维材料研究的深入，研究人员逐渐关注到五边形结构作为一种重要的二维材料形式。传统上，大多数二维材料的基本结构单元为六边形，这种六边形结构的材料如石墨烯和过渡金属二硫化物（TMDCs）已经得到了广泛的研究，并在电子学、光电学和热电学等领域展现出优异的性能。然而，五边形结构作为另一种具有潜力的二维材料形式，近年来引起了科学界的广泛关注。五边形结构的二维材料具有独特的性质和应用潜力。由于正五边形无法平铺整个平面，五边形二维材料通常形成褶皱的层状结构，这种结构不仅具有低晶体对称性，还引入了显著的面内各向异性和低热导率。这些特性使得五边形二维材料成为未来各向异性电子学和热电学的有前景材料。此外，五边形材料的褶皱结构导致了键长和角度的重整化，使其厚度减少，柔性增加，这对柔性设备和可穿戴电子产品具有重要意义。然而，尽管理论上预测了大量的五边形二维材料，实际中存在许多问题—许多五边形材料处于亚稳态，导致其直接合成和稳定性较差，从而限制了它们的实际应用和研究。

二、【创新成果】

近期，美国普渡大学陈勇教授、Dmitry Y. Zemlyanov教授以及苏州大学李有勇教授在Nature Materials上发表了题为“A metastable pentagonal 2D material synthesized by symmetry-driven epitaxy”的论文，报道采用了对称驱动的外延生长方法，首次成功合成了亚稳态单层五边形PdTe₂。通过对称驱动外延合成技术，研究人员在Pd(100)基板上直接合成了五边形PdTe₂，这一过程利用了基板的晶格匹配来稳定五边形相。随后研究人员采用STM、LEED和XPS等多种手段全面验证了五边形PdTe₂的原子结构、层厚度和晶格振动模式。研究表明理论计算与实验结果一致，揭示了该材料为具有1.05 eV间接带隙的半导体。

图1  单层六边形和五边形PdTe₂的合成 © 2024 Springer Nature

图2  单层五边形 PdTe₂的声子谱 © 2024 Springer Nature

图3  生长后的单层五边形 PdTe₂的STM和LEED测量 © 2024 Springer Nature

图4  在不同偏置电压下的实验和模拟STM图像 © 2024 Springer Nature

图5  单层五边形PdTe₂的能带结构 © 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

综上，本研究揭示了通过对称驱动外延合成亚稳态单层五边形PdTe₂的成功案例，为五边形二维材料的合成和应用开辟了新的路径。尽管五边形二维材料在理论上具有广泛的预期应用，如高强度、量子自旋霍尔效应和低热导率等，但其实际合成和稳定性仍具有较大的挑战性。通过精准的外延生长技术，本研究成功实现了单层五边形PdTe₂的合成，并通过STM、LEED、XPS和ARPES等多种表征手段确认了其结构和性能。这一突破不仅验证了五边形二维材料的稳定性，还证明了其在半导体领域的潜力，具有1.05 eV的间接带隙，符合实际测量结果。这一工作，为基于五边形的2D材料合成开辟了新路径，并为探索多功能纳米电子学等应用提供了机会。

原文详情：A metastable pentagonal 2D material synthesized by symmetry-driven epitaxy (Nature Materials 2024, DOI: 10.1038/s41563-024-01987-w)

本文由赛恩斯供稿。