作者：一只喵
來源：催化計 公眾號
二維材料的研究，肇始于石墨烯，盛于二維金屬硫屬化物，中興于魔角，而今正在其星辰大海的路途上奔波不止。二元二維納米材料主要形式為MXn，其中M為過渡金屬，X為IV，V或VI族的硫屬元素或非金屬。相比于hBN，Mo和W的二硫化物或二硒化物被研究的更多，其中一個重要因為就在于其合成方法更加成熟。
原子級超薄的二維材料的制備主要分為兩類方法：1）機械剝離；2）物理沉積。這兩大類方法存在許多限制條件，導致二維材料的規模化以及更多元素的體系拓展受到限制。尤其是高品質CVD法制備的二維材料，需要對精確控制原料的計量比以調控缺陷密度，除此之外，還要采用金屬氧化物或者有機金屬前驅體作為原料，十分不利于體系的拓展。
有鑒于此，丹麥技術大學的Timothy J. Booth等人報道了一種普適性的合成策略，可以通過一種簡單的工藝，實現至少20種二元二維材料的合成，包括硫化物、硒化物、碲化物、氮化物。
一般認為，通過CVD在金屬催化劑上生長二元化合物時，M和X元素都必須不溶于催化劑，以確保二維材料在表面限域生長，譬如CVD石墨烯在銅上的制備過程。然而，盡管硼在銅中具有高溶解度，在銅上生長單層hBN薄膜依然沒有什么問題，這表明只有一種組分不溶也可以制備出二維材料。
圖1. 合成策略
Timothy J. Booth團隊就按照這個思路，以固體元素為前驅體，直接在金屬催化劑上生長二元二維材料。考慮到Au對X元素（X = S，Se，Te，N）溶解度極其有限，他們首先在藍寶石襯底上濺射20 nm后的M金屬薄膜，然后生長約500nm后的Au膜，通過850℃將M-Au層加工成具有Au {111}面的合金化的單組分固溶體。其中，M和Au層的相對厚度決定了最終合金中M的濃度。在這里，比例限制在≤5％是為了保持單一相的合金化條件。隨后，研究團隊將Au-M合金暴露于元素X的氣相前驅體中，X在Au中的有限溶解度限制了MXn化合物在合金表面的深度生長，最終形成原子級超薄二元二維材料，并與Au襯底外延對齊。
由于這種策略只需要一種元素不溶，因此極大地放開了對原料的限制，在此基礎上，研究人員把合成體系拓展到更廣闊的領域，系統合成了包括硫化物、硒化物、碲化物、氮化物四大類材料在內的20多種二元二維納米材料，不可謂不壯觀。
圖2. 體系拓展
雖然這種方法借用了納米線經典的VLS生長策略，也和之前的一些CVD方法頗有相似之處，而且部分材料并非品質很高。但是，這種方法能夠使用一個配方和簡單的元素前驅體外延普適性地合成已有和全新的二維材料，不可謂不是一大進步。
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參考文獻：
Abhay Shivayogimath, Timothy J. Booth et al. A universal approach for the synthesis of two-dimensional binary compounds. Nature Communications 2019, 10, 2957.
https://www.nature.com/articles/s41467-019-11075-2
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