本文回顧了客體物種和宿主二維材料之間的相互作用如何調(diào)節(jié)材料的物理和化學(xué)性質(zhì)，并討論了它們在創(chuàng)造新型材料以及構(gòu)筑各種結(jié)構(gòu)等方面的潛力。
摻雜或改變具有客體的晶體以獲得所需的性能一直是材料科學(xué)的研究前沿。然而，許多晶體中密集的晶格結(jié)構(gòu)限制了該策略的適用性。二維層狀材料的出現(xiàn)引起了人們對利用這種方法的興趣，通過兩種重要的策略，靜電門控和插層，在不破壞化學(xué)鍵的情況下提供宿主材料性能的可逆調(diào)制。此外，這些動態(tài)可調(diào)的技術(shù)使新型雜化材料的合成成為可能。
斯坦福大學(xué)崔屹、Harold Y. Hwang等人回顧了客體物種和宿主二維材料之間的相互作用如何調(diào)節(jié)材料的物理和化學(xué)性質(zhì)，并討論了它們在創(chuàng)造新型材料以及構(gòu)筑各種結(jié)構(gòu)等方面的潛力。具體地，本文重點討論了應(yīng)用于二維層狀硫族化合物和氧化物的客體物種調(diào)控策略。首先介紹了兩種主要的客體物種調(diào)控技術(shù)，即靜電門控和插層技術(shù)。接著，簡要討論了各種工藝的機(jī)理和實驗設(shè)計。然后，作者介紹了由客體物種調(diào)制所帶來的前沿進(jìn)展，包括新應(yīng)用與新現(xiàn)象。最后，作者展望了在二維層狀硫族化合物和氧化物中進(jìn)行離子調(diào)制的巨大可能性，以及將這種方法推廣到其他材料的前景。
相關(guān)工作以《Electrostatic gating and intercalation in 2D materials》為題在《Nature Reviews Materials》上發(fā)表論文。
傳統(tǒng)的三維材料的客體物種調(diào)控主要依賴于主體材料和客體離子之間的化學(xué)反應(yīng)，即分別將電子和空穴作為給體和受體引入主體材料，與周圍原子形成共價鍵。客體物種插入主體材料將不可避免地引入缺陷和結(jié)構(gòu)變形。相反，由于二維材料的層狀和超薄特性，可以獲得兩種新的二維材料與客體的相互作用，它們不會破壞現(xiàn)有的共價鍵，分別是：客體物種可以駐留在原子表面并使二維材料極化、或離子可以遷移到層間位置并與材料發(fā)生化學(xué)作用。
客體門控的工作原理類似于金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFETs)，通過改變作為晶體管器件中通道的材料的化學(xué)勢來進(jìn)行調(diào)制。在這兩種情況下都需要介質(zhì)來提供容納由外部電壓源引起的電荷的電容，但是介質(zhì)組件在離子門控和傳統(tǒng)的氧化物基晶體管門控中的性質(zhì)不同。在MOSFETs中，電介質(zhì)通常是絕緣氧化層，最常見的是SiO2，其厚度從幾十到數(shù)百納米不等(圖2a)。而對于客體門控，在電極和通道之間有一種由可移動離子組成的介質(zhì)，即電解質(zhì)。因此，客體門控也被稱為離子門控。在電極和電解液之間的界面上形成雙電層(EDL)，導(dǎo)致EDL電容遠(yuǎn)高于氧化介質(zhì)的電容。
由客體物質(zhì)門控實現(xiàn)的高濃度摻雜可以誘導(dǎo)二維材料主體產(chǎn)生新的特性。例如，最顯著的是TMD基絕緣體與客體相互作用，從而引起材料的超導(dǎo)電性和基態(tài)發(fā)生調(diào)制。例如，采用離子液體柵電極獲得的門控懸浮MoS2雙層膜，原子片出現(xiàn)超導(dǎo)特性，層間出現(xiàn)可控的約瑟夫森耦合。更具體地說，通過將懸浮物浸入離子液體中，使離子在上下兩層堆積而得到的雙側(cè)柵極結(jié)構(gòu)比單側(cè)柵極產(chǎn)生更強(qiáng)的門控效應(yīng)。
除了門控方法外，客體物種位于二維材料表面，二維材料的弱層間相互作用允許客體物種以有序的模式插入到層間間距中。其中，三種不同的客體：原子、離子和分子，可以插入到二維材料中。實現(xiàn)外來客體物種在二維材料中進(jìn)行插層的方法，包括：固態(tài)反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)、局部化學(xué)反應(yīng)等。
插層對二維材料化學(xué)環(huán)境的影響主要有兩個方面。首先是插層誘導(dǎo)的摻雜。與二維材料中的柵誘導(dǎo)靜電摻雜不同，插層誘導(dǎo)的摻雜來自于電荷轉(zhuǎn)移過程，該過程需要二維材料和插層材料的化學(xué)勢不同，以及接收電子或空穴的空帶的可用性。第二個效應(yīng)是化學(xué)鍵。嵌層劑的鍵合構(gòu)型所具有的獨(dú)特的自由度會導(dǎo)致嵌層化合物電子結(jié)構(gòu)的變化。當(dāng)夾層原子和宿主原子的價電子發(fā)生相互作用時，即形成了化學(xué)鍵。這些原子電負(fù)性的差異影響了電子云的重疊。因此，電子能帶結(jié)構(gòu)易于通過形成新的化學(xué)鍵或雜化而改變。此外，客體原子也可以取代宿主原子，從而改變晶格結(jié)構(gòu)。對于單一摻雜體系，這些效應(yīng)往往同時存在，從而產(chǎn)生新的電子特性，并推動了新應(yīng)用的發(fā)展。
Electrostatic gating and intercalation in 2D materials ，Nature Reviews Materials，2022.
https://www.nature.com/articles/s41578-022-00473-6
原創(chuàng)文章，作者：華算老司機(jī)，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2022/09/03/b789a480b1/
-透明背底.png)
