過渡金屬碲化物（Transition Metal Tellurides，簡稱TMTs）因其獨特的電子結構和性質引起了研究人員的廣泛關注。TMTs是一類由過渡金屬和碲元素構成的化合物，其具有豐富的量子現象和電化學特性，因此被認為是理想的研究對象。然而，盡管TMTs具有如此的潛力和吸引力，但其研究相對較少。這部分是因為TMTs的制備方法受到了限制，尚未實現大規模、高效率的生產。目前主流的制備方法主要是通過自上而下的剝離法，例如球磨、液相剝離等，但這些方法存在著規模小、生產效率低和難以復制等問題。此外，一些傳統的化學插層法也面臨著實驗條件苛刻、安全隱患大等挑戰，限制了其在工業應用中的可行性。為了解決這些問題，科學家們開始尋求一種快速、可重復、規?；腡MTs合成方法。他們希望開發出一種簡單、安全、高效的方法，能夠從塊狀TMT晶體中快速制備出高質量的納米片，以推動TMTs材料的研究和應用。
鑒于此，中國科學院金屬研究所成會明院士、中國科學院大連化學物理研究所吳忠帥研究員、北京大學康寧副教授團隊合作在Nature頂刊發題為“Metal telluride nanosheets by scalable solid lithiation and exfoliation”的研究論文。本研究致力于解決TMTs合成方法的瓶頸，提出了一種基于固態鋰化和水解的新型合成方法。通過在短時間內將鋰離子插入TMT晶體，并隨后進行水解剝離，實現了從塊狀晶體到納米片的快速轉化。這一方法不僅快速、可重復，而且具有較高的可擴展性，可以實現百克級的納米片生產。通過該方法制備的TMT納米片不僅質量優良，而且具有廣泛的應用潛力，例如在電化學領域的催化劑和電極方面。
圖1展示了固態鋰化和剝離TMT納米片的合成過程以及TMT墨水在不同應用中的效果。首先，在圖1a中，研究者通過固態鋰化和水解成功合成了TMT納米片。圖1b和1c展示了成功合成的NbTe2納米片與原始的塊狀晶體的對比。經過優化的合成方法，研究者成功地生產了108克的NbTe2納米片，并且在水介質中以1毫克/毫升的濃度分散均勻（圖1d）。接著，圖1e展示了從各種TMT納米片的膠體分散液中制備的薄膜。而在圖1f至1i中展示了使用NbTe2墨水制備的不同結構，包括三維打印的支架、絲網印刷的DICP標志、以及光刻制備的高分辨率互指微電極。此外，圖1j比較了不同方法合成TMT納米片的效率和可擴展性，表明固態鋰化和剝離方法具有最短的加工時間和最佳的可擴展性。這些結果表明，通過固態鋰化和剝離方法，研究者成功合成了高質量、大規模的TMT納米片，并且這些納米片在水介質中分散均勻，適用于不同的應用。這種合成方法不僅速度快、可重復、安全，而且可以用于各種TMT材料的合成，為探索新的量子現象和開發新的應用提供了重要的基礎。
圖1. 二維2D 過渡金屬碲化物TMT納米片的合成和TMT油墨的應用。
為了全面了解2D TMT（過渡金屬碲化物）納米片的形貌、尺寸分布和結構特征，研究者進行了掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）等多種表征方法的研究。在圖2中，SEM圖像展示了MoTe2、WTe2、NbTe2和TaTe2納米片的形貌，發現所有的TMT納米片都具有微米級尺寸的薄片，平均側向尺寸分別為3.5μm、2.9μm、6.2μm和3.1μm。此外，原子力顯微鏡（AFM）圖像顯示了納米片的平均厚度分別為5.8、4.9、3.2和5.0nm。這些結果表明，利用固態鋰化和水解方法可以快速、有效地制備出大尺寸、薄厚度的TMT納米片，為其后續的研究和應用提供了基礎。
圖2. 過渡金屬碲化物TMT納米片的形貌和拉曼表征。
在圖3中，TEM圖像展示了MoTe2、WTe2、Mo0.5W0.5Te2和NbTe2納米片的晶體結構特征。通過高角度暗場掃描TEM（HAADF-STEM）觀察到了MoTe2和WTe2納米片中的近一維鋸齒鏈結構，同時快速傅里葉變換（FFT）圖像確認了1T'和Td相及其單晶性質。NbTe2納米片的1T相通過原子分辨STEM圖像驗證，顯示出主要的（003）和（020）面。此外，能譜分析圖證實了MoTe2、WTe2、Mo0.5W0.5Te2和NbTe2納米片中元素的均勻分布。這些結構特征為進一步探索TMT納米片的電子性質、催化性能和應用提供了重要參考。
圖3: MoTe2, WTe2, Mo0.5W0.5Te2和NbTe2納米片的結構表征。
在圖4中，他們選擇了MoTe2和WTe2納米片，并使用不同的厚度進行了電阻和磁場依賴性的研究。從圖4a可以看出，在零磁場下，17.2納米厚的MoTe2納米片在高溫下表現出半金屬特性，在低溫下逐漸進入超導態。而在施加約0.5T的磁場后，電阻轉變被抑制，顯示出其磁場依賴性。圖4b展示了厚度為3.1納米的MoTe2樣品在不同磁場下的電阻特性，顯示出與厚納米片不同的電阻轉變特征，這表明了厚度對電荷輸運行為的影響。另外，WTe2納米片的磁場依賴性電阻在圖4c中展示，顯示出金屬到絕緣態的轉變以及極大的正磁電阻。
圖4:剝離后的MoTe2和WTe2納米片的傳輸特性。
在圖5中，研究者展示了TMT納米片在能源存儲和電子器件中的應用潛力。通過將NbTe2納米片用作電催化劑，他們實現了高性能Li-O2電池的可逆Li2O2轉化，并顯示出優異的循環穩定性和倍率性能。Mo0.5W0.5Te2納米片在鋰離子電池中表現出良好的儲能性能，顯示出高初容量和高倍率容量。此外，基于NbTe2納米片的柔性超級電容器和Mo0.5W0.5Te2/CNT薄膜在電磁干擾屏蔽方面也展示出良好的性能，具有潛在的在未來電子設備中的應用前景。這些研究結果為進一步理解2D TMT納米片的電子特性和應用潛力提供了重要線索，有助于推動該領域的發展。通過對納米片的精細調控和功能化，可以實現更廣泛的應用，如量子器件、催化劑、能源存儲等，為未來電子技術的發展提供了新的可能性。
圖5. 固體鋰插層剝離制備TMT納米片的應用
總之，作者開發了一種通用的固態鋰化和剝離方法，可以實現高質量TMT納米片的百克級合成，有望徹底改變它們的商業制造方式。由于它們日益突出的重要性，未來預計會發現新的層狀TMT大塊晶體，而這種方法則為其納米片的大規模生產打開了可能性。此外，這些納米片具有優異的可加工性，可以形成各種墨水，用于制備膜、薄膜、納米復合材料和異質結構，并結合先進的（微）制造技術，將加速基礎研究的進行，并使其在包括但不限于拓撲電子學、催化、能源存儲和柔性電子學在內的許多研究領域中得以應用。
原文詳情：
Zhang, L., Yang, Z., Feng, S. et al. Metal telluride nanosheets by scalable solid lithiation and exfoliation. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07209-2
