上海硅酸鹽所在亞穩相MoS2的製備、結構解析及基本物性研究方面取得新進展

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相關研究背景

以MoS2為代表的層狀過渡金屬硫化物（TMDs）是繼石墨烯之後的二維材料新星，其具有可調節的半導體電子結構、高載流子遷移率、量子自旋霍爾效應和谷磁電效應等一系列奇異的物理特性，引起了科學家極大的研究興趣。單層或少層MoS2可廣泛應用於開發下一代場效應晶體管、光電探測器和感測器等高性能納米器件。MoS2有多種不同的晶體結構，包括2H、3R、1T』和1T相等。其中1T』和1T MoS2為金屬相，具有良好的導電性，在電催化產氫、鋰電池、鈉電池以及超級電容器等能源儲存方面具有優異的性能。然而，它們都是熱力學亞穩相，在高溫、激光輻照等外界作用下易轉變成2H相。因此，製備純相1T』和1T MoS2極具挑戰。

相關研究工作

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所光電轉換材料與器件課題組、上海微系統與信息技術研究所超導中心以及北京大學化學院合作研究，首先採用高溫固相策略合成出高結晶性的LiMoS2晶體，再利用飽和乙腈碘溶液對LiMoS2晶體進行氧化處理，首次製備出1T MoS2晶體。該過程產生的化學驅動力促使Li離子從二硫化鉬層間脫出，而鉬的八面體配位方式仍然保持，最終可得到結晶性良好的1T MoS2單晶。同時，具有超導特性的1T MoS2的晶體結構首次被解析。相關研究成果以「Structure Re-Determination and Superconductivity Observation of Bulk 1T MoS2」為題發表於國際著名期刊Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 1232–1235（DOI : 10.1002/ange.201710512）上，論文共同第一作者為上海硅酸鹽所在讀研究生方裕強和潘傑，共同通訊作者為黃富強研究員、林天全副研究員以及牟剛副研究員。該研究成果進一步揭示了MoS2亞穩相的新奇物理特性，拓展了其在凝聚態物理和新能源領域的研究和應用。

針對現有方法製備出的1T MoS2納米片存在2H、1T和1T』等多種雜相共存的難題，近年來，光電轉換材料與器件課題組發展出通過剝離高溫固相合成的高質量LiMoS2晶體而獲得高純度的1T/1T』 MoS2納米片甚至單晶材料。該方法已經拓展至其它過渡金屬二硫化物納米片的製備，如NbS2、TaS2、TiS2等（J. Am. Chem. Soc. 2017,139, 4623； J. Mater. Chem. C 2017, 5 , 5977；J. Mater. Chem. C 2017, 5, 10855）。

（a）1T MoS2粉末XRD、（b）1T MoS2拉曼光譜、（c）1T MoS2的HAADF-STEM圖像、（d）不同磁場下1T MoS2的電阻隨溫度變化

剝離高溫固相合成高質量LiMoS2晶體並製得高純度1T/1T』 MoS2納米片甚至單晶材料（a）剝離示意圖、（b）LiMoS2晶體的SEM圖像、（c）1T』 MoS2的高分辨原子圖像

上述系列研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院和上海市科委等項目的資助。

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