类石墨烯过渡金属二硫化物的研究进展.docx

类石墨烯过渡金属二硫化物的研究进展＊刘洋洋，陈晓冬，王现英，郑学军，杨俊和（上海理工大学材料科学与工程学院，上海２０００９３）摘要具有类石墨烯二维结构的过渡金属二硫化物（ＴＭＤＣｓ）因其优异的光学、电学、电化学等方面的性质而引起人们的广泛关注。介绍了二维ＴＭＤＣｓ的基本性质，及几种常用的制备方法。重点阐述了二维ＴＭＤＣｓ的电学 性质、光学性质、电化学性质及其潜在应用，并与石墨烯的物理化学性质进行了类比。最后分析了二维ＴＭＤＣｓ的发展趋势和面临的挑战。关键词过渡金属二硫化物二维结构物理性质中图分类号：ＴＢ３８３文献标识码：ＡＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＴｗｏＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＴｒａｎｓｉｔｉｏｎＭｅｔａｌＤｉｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅｓＬＩＵＹａｎｇｙａｎｇ，ＣＨＥＮＸｉａｏｄｏｎｇ，ＷＡＮＧＸｉａｎｙｉｎｇ，ＺＨＥＮＧＸｕｅｊｕｎ，ＹＡＮＧＪｕｎｈｅ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９３）ＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈｔｈｅｄｉｒｅｃｔｂａｎｄｇａｐａｎｄ２－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ（２Ｄ）ｇｅｏｍｅｔｒｙ，ｇｒａｐｈｅｎｅ－ｌｉｋｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｅｔａｌｄｉｃｈａｌｃｏ－ｇｅｎｉｄｅｓ（ＴＭＤＣｓ）ｈａｖｅａｔｔｒａｃｔｅｄｇｒｅａｔｉｎｔｅｒｅｓｔｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｉｒｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｔｈｅｂａｓｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆ２ＤＴＭＤＣｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ＴｈｅｎｔｈｅｍｏｓｔｐｏｐｕｌａｒｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆＴＭＤＣｓａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏ－ｐｅｒｔｉｅｓ，ｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｐｏｔｅｎｔｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＴＭＤＣｓａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ，ａｎｄｉｔｉｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｇｒａｐｈｅｎｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｆｕｔｕｒｅｔｒｅｎｄｓａｎｄｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｏｆ２ＤＴＭＤＣｓａｒｅａｌｓｏｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ２Ｄｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｅｔａｌｄｉｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅｓ，２Ｄｇｅｏｍｅｔｒｙ，ｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ自２００４年英国曼彻斯特大学的两位科学家成功剥离出石墨烯以来［１］，在近１０年的时间里，石墨烯因其优异的电学、光学、力学和电化学特性而备受人们青睐，现已在锂离子电池、太阳能电池、传感器等方面获得应用，表现出极佳的性１二维ＴＭＤＣｓ的基本结构ＴＭＤＣｓ的基本化学式为ＭＸ２，其中Ｍ为Ⅴ族元素（如Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ等）或Ⅵ族元素（Ｍｏ、Ｗ等），Ｘ为硫族元素（Ｓ、Ｓｅ能［２］。尽管如此，本征的石墨烯不存在带隙，这严重限制了或Ｔｅ），其中以ＭｏＳ２和ＷＳ２为典型代表。以ＭｏＳ２为例，宏其在电子及光电子器件方面的应用，即使经过化学改性获得小的能带间隙，但都必须以牺牲其他性能为代价，这就促使人们去研究新的二维材料。过渡金属二硫化物（Ｍｏ２Ｓ、Ｗ２Ｓ、观ＭｏＳ２材料具有层状结构，每一层结构为Ｘ－Ｍ－Ｘ，如图１ 所示，含２层六角形排列的硫原子和１层钼原子，层与层之间以弱的范德华力结合，层间距为６．５。ＴｉＳ２等）、过渡金属氧化物（ＴｉＯ等）以及与石墨类似［１３］［３－６］［７，８］２的氮化硼等［９，１０］都是典型的非石墨烯二维材料，其中以二维过渡金属二硫化物最引人注目。块体过渡金属二硫化物（ＴＭＤＣｓ）研究历史可以追溯到几十年前，现已广泛应用于电子、光学、机械、化学和催化等领域［１１］，但是对二维ＴＭＤＣｓ的研究尚处于起步阶段，近两三年来才引起人们的广泛关注。当ＴＭＤＣｓ由块状变为二维结构时，电子能带结构由非直接带隙变为直接带隙从而使ＴＭＤＣｓ的光、电等性能发生很大的变化［１２］，就目前的研究结 果来看二维ＴＭＤＣｓ具有许多类似甚至优于石墨烯的特性， 尤其是在电子器件方面的应用，另外其在晶体管、锂离子电池、传感器和光催化等方面的应用前景也很广阔，被誉为半导体界的“石墨烯”，必将成为未来一段时间研究的焦点。图１典型的二维ＭＸ２结构示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆａｔｙｐｉｃａｌ２ＤｇｅｏｍｅｔｒｙＭＸ２２二维ＴＭＤＣｓ的基本制备方法目前已报道的二维ＴＭＤＣｓ的制备方法主要有类似石＊国家自然科学基金刘洋洋：女，１９８８年生，硕士生，研究方向为二维ＭｏＳ２的制备及表征王现英：通讯作者，女，１９７９年生，博士，教授，研究方向为半导体纳米结构在能量转换、光催化等领域的应用Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉａｎｙｉ