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Nature Reviews Chemistry綜述:二維材料的插層帶來新興電子相轉(zhuǎn)移

Nature Reviews Chemistry綜述:二維材料的插層帶來新興電子相轉(zhuǎn)移
插層是誘導(dǎo)過渡金屬二硫?qū)倩?(TMDs) 相變的有力工具。然而,只有鋰離子 (Li+) 插入 MoS2或WS2誘導(dǎo)的半導(dǎo)體 2H(六方)相到金屬 1T(八面體或半金屬 1T′,扭曲八面體)相的轉(zhuǎn)變是眾所周知的。
康奈爾大學(xué)的 Judy J. Cha 領(lǐng)導(dǎo)的團隊在 ACS Nano 上撰文報道了在 1T′-MoTe2 中電化學(xué) Li+ 插入過程中出現(xiàn)的新興相變,從而發(fā)現(xiàn)了兩個之前未報道過的電子相——輕度鋰化相 I 和重度鋰化相 II(ACS Nano 18, 17349–17358 (2024))。
來自卡爾加里大學(xué)研究人員,對該文章進(jìn)行了點評, 相關(guān)文章以Ions go in and new phases appear》為題發(fā)表在《Nature Reviews Chemistry》期刊上,文章鏈接:https://doi.org/10.1038/s41570-024-00637-8。
Nature Reviews Chemistry綜述:二維材料的插層帶來新興電子相轉(zhuǎn)移
研究者在電化學(xué)微反應(yīng)池(見圖中 b 部分)中進(jìn)行了 Li+ 插入,其中 1T′-MoTe2 納米薄片作為陰極,一小片鋰金屬箔作為陽極,復(fù)雜的分子混合物作為電解質(zhì)。電極和電解質(zhì)被封裝在一個透明的盒子里,蓋玻片作為頂蓋,SiO2/Si 芯片作為底部基板。這樣的微電池不僅可以提供完整的電路來實現(xiàn)電化學(xué)插入,還可以進(jìn)行原位電化學(xué)和光譜測試。
通過對制造的電化學(xué)電池進(jìn)行恒電流放電實驗,他們觀察到了與初始 1T′ 相截然不同的新相(I 和 II)。當(dāng)施加的插層電壓 (VEC)為 0.7 V 時,相 I 出現(xiàn),其證據(jù)是拉曼光譜中 Ag 峰在 ~78 cm–1 處消失,峰在 ~85 cm–1 處出現(xiàn)。而當(dāng) VEC 為 0.4 V 時,相 II 出現(xiàn),其特征是在 ~17、109 和 133 cm–1處出現(xiàn)了更多新的拉曼峰。
此外,他們利用原位單晶 X 射線衍射(XRD) 和原位透射電子顯微鏡 (TEM) 發(fā)現(xiàn)了新階段與原始 1T′ 階段之間原子結(jié)構(gòu)的差異。XRD 圖案表明,與原始 1T′ 相相比,鋰化相的層 間距增大,而 TEM 圖像表明,這種變化是由于鋰化相的平面晶格對稱性變化引起的。
原位拉曼和XRD 數(shù)據(jù)也表明相變的可逆性——在去除施加的 VEC 后,鋰化 1T′-MoTe2 納米片恢復(fù)到其原始 1T′ 相。
為了研究不同相之間的電子特性差異,研究人員在 Li+ 插層過程中進(jìn)行了兩端電流-電壓測量和原位霍爾測量(在施加恒定電流和磁場時進(jìn)行的一系列電壓測量)。結(jié)果表明,與原始相相比,鋰化相 II(或鋰化相 I)的電阻顯著(或適度)增加,霍爾載流子密度降低,表明在鋰化相從半金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體時,帶隙打開。
總的來說,這項工作在 1T′-MoTe2 中引入了兩種之前未報道過的相,這些相是由 Li+ 插入引起的。新相表現(xiàn)出與原始半金屬性質(zhì)不同的半導(dǎo)體特性,開辟了該材料在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用。
值得注意的是,前不久(5月16日),本文第一兼通訊作者-楊銳捷剛以第一作者身份在《Nature Reviews Chemistry》期刊上發(fā)表題目為《Intercalation in 2D materials and in-situ studies》的封面文章。下面對該文章進(jìn)行簡短解讀。
Nature Reviews Chemistry綜述:二維材料的插層帶來新興電子相轉(zhuǎn)移
在 2004 年發(fā)現(xiàn)石墨烯后的短短幾年內(nèi),二維 (2D) 材料成為了材料研究的一個熱點領(lǐng)域。這些二維材料徹底改變了當(dāng)前研究的許多方面,特別是在新興物理學(xué)、光電器件、催化、電池等領(lǐng)域。這些材料具有各向異性鍵合的特點——層內(nèi)有強共價鍵,層間有弱的范德華 (vdW) 相互作用。這種各向異性的性質(zhì)使得插層在二維材料中變得可行。這里,插層是指將外來物質(zhì)(原子,離子,或分子)插入到2D材料層間或其vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)中。
原子、離子和分子的插層是調(diào)整二維 (2D) 材料特性的有力工具。使用此工具,二維材料的層間相互作用、面內(nèi)鍵合構(gòu)型、費米能級電子能帶結(jié)構(gòu)和自旋軌道耦合等屬性可以得到有效的調(diào)控從而引起二維材料的光子、電子、光電子熱電、磁性催化和能量存儲相關(guān)的性質(zhì)變化。這意味著插層是提升二維材料在當(dāng)前和未來應(yīng)用中的有力工具。原位成像和光譜技術(shù)是可視化和追蹤插層過程的有效手段為破譯重要且常常難以捉摸的插層動力學(xué)、插層化學(xué)力學(xué),和插層機理提供了機會。
北京時間2024516日,Nature Reviews Chemistry在線發(fā)表了題為Intercalation in 2D materials and in-situ studies的文章。文章分析了二維材料的插層和原位研究。
Nature Reviews Chemistry綜述:二維材料的插層帶來新興電子相轉(zhuǎn)移
圖1 | 二維材料的插層概述和插層策略
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圖2 | 插層引起的協(xié)同效應(yīng)和層間相互作用的改變
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圖3 | 插層引起的面內(nèi)鍵合的重建
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圖4 | 插層引起的費米能級和電子能帶結(jié)構(gòu)的變化以及自旋軌道效應(yīng)和晶格參數(shù)的調(diào)變
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圖5 | 電化學(xué)插層原位研究的平臺設(shè)計
Nature Reviews Chemistry綜述:二維材料的插層帶來新興電子相轉(zhuǎn)移
圖6 | 電化學(xué)插層的原位成像研究
參考文獻(xiàn)
[1] R. Yang et al, Nat. Rev. Chem., (2024) https://doi.org/10.1038/s41570-024-00637-8.
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[3] R. Yang et al, Nat. Synth., 2 (2023) 101-118.
[4] R. Yang et al, Nat. Protoc., 18 (2023) 555–578.
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