二维金属硫化物的研究问题与挑战

　　从 1985 年发现的富勒烯， 到 1991 年发现的碳纳米管，碳材料一直是科技创新的前沿领域。 自 2004 年英国曼彻斯特大学的两位科学家首次用机械剥离法得到了单层或少层的新型二维原子晶体， 并为此命名为石墨烯以来， 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，表现出极佳的性能。 尽管如此，本征的石墨烯不存在带隙，这严重限制了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（MoS2、WS2、TiS2等）、过渡金属氧化物（TiO2等）以及与石墨类似的氮化硼等都是二维类石墨烯材料，其中以二维过渡金属二硫化物最引人注目。

　　二维过渡金属二硫属化合物具有三明治结构，中间的夹心层由金属原子（Mo,W,Nb,Re,Ni,V 等）以六边形构成，上下两层由硫簇原子（通常是 S,Se 和 Te），形成了大约 40 种不同的材料。 目前，二维金属硫化物的制备方法有机械剥离法，电化学锂离子插层剥离法， 超声处理液相剥离法和化学气相沉积生长法。 机械剥离法是最传统的制备石墨烯的方法，也是获得单层MoS2 最原始 、最简单的方法 ,这种方法获得的样品缺陷少 ,可用于样品基本物理性质的研究，但是样品产量比较低，不适合大规模的生产。 在后来的研究工作中， 新加坡南洋理工大学Zhang 教授课题组研究发现通过电化学的方法准确控制 Li+在块体材料层间的插入量， 发展出一种简单合成单层二维类石墨烯结构纳米材料的有效方法。 化学气相沉积生长法主要是在高温下通过 Mo 和 S 蒸气反应，在衬底上生成 MoS2 薄膜。 通常将沉积有一层 Mo 薄膜的 SiO2基底和纯硫粉分别置于管式炉的中央高温区和边缘低温区，在氮气气氛下，先加热到 500℃然后加热到 750℃保持 10 min, 自然冷却到室温即可得到二维MoS2.

　　目前二维金属硫化物的研究主要存在以下 4 个主要问题和挑战：

　　（1）二维金属硫化物的大尺寸可控合成还颇具挑战性

　　化学剥离法在溶液中进行，在二维金属硫化物复合材料的制备方面优势明显，但通常结晶质量不高，尺寸较小。 锂离子插层剥离法可大量制备二维金属硫化物，但也无法控制层数及尺寸。 化学气相沉积法在二维金属硫化物尺寸、层数及物理性质控制方面有优势，是制备二维金属硫化物电子及光电子器件的首选合成方法，但目前制备工艺也不成熟。

　　（2）二维金属硫化物的物理性质的调控还尚待研究

　　二维金属硫化物优异的电学、光学性质令人鼓舞，已有诸多报道证实它们在微电子及光电子器件方面的潜在应用前景，但目前研究还停留在对二维金属硫化物性质的认知方面，如何有效调控其物理性质，使之服务于器件应用尚需大量的研究工作。

　　（3）类石墨烯金属硫化物与石墨烯异质或复合材料的新奇特性尚待探索

　　二维金属硫化物石墨烯异质结构的界面性质、 电学性质、光学性质等尚未见有系统的研究报道。 如何将石墨烯和二维金属硫化物优异的性质相结合需要进一步的研究。 石墨烯与二维金属硫化物的液相合成方法类似，这使大规模制备相关复合材料成为可能， 而目前关于石墨烯/二维金属硫化物复合材料的研究报道也为数不多。

　　（4）二维金属硫化物在锂离子电池及超级电容器方面的应用值得期待

　　二维金属硫化物独特的结构特征使其在锂离子电池及超级电容器方面有巨大的应用前景，大规模制备及三维结构的自组装是电极应用的前提。 随着二维金属硫化物制备手段的提高和研究的不断深入， 其在能量存储方面的性能也将不断提高，有望成为新一代的锂离子电池及超级电容器的电极材料。

　　目前对于准二维金属硫属化合物类石墨烯结构材料的性质及应用研究仅掀起了冰山一角， 还需要科研工作者进一步发展新的化学合成方法并探索其反应机理， 以制备出形貌均一、层数一致、组成更多样、单晶面积更大的准二维金属硫属化合物类石墨烯结构材料， 为深入研究这类结构的物性、 开展其功能应用工作奠定物质基础。 综上所述，对二维金属硫化物在单原子层的尺度上进行材料的研究及性能调控，是继石墨烯之后材料科学研究的又一大进步， 在未来 10 年将是材料学科研究的主流方向。

　　参考文献：
　　[1] M S Xu, T Liang, M M Shi, and H Z Chen. Graphene-like two-dimensional materials [J]. Chemical Reviews, 2013,113, 3766-3798
　　[2] Z Y Yin, H Li, H Li, et.al. Single-layer MoS2 phototran-sistors[J]. ACS Nano, 2012, 6（1）： 74