二硫化钼二维材料的研究与应用进展.docx

二硫化钼二维材料的研究与应用进展 0来源：新材料产业?? ?? 2016年2期　长久以来，人们一直认为二维晶体不可能单独稳定存在。然而，2004年英国曼彻斯特大学物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov用实验证实，以石墨这种层状材料为原料，通过简单的物理剥离方法便能得到碳的单原子薄片——石墨烯，从而开启了材料科学革命的新篇章[1]，他们也因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。自此，以石墨烯为代表的二维层状材料的相关研究获得了迅猛的发展。单层二硫化钼作为一种具有和石墨烯类似结构的新一代二维材料，吸引了越来越多的目光。二硫化钼是一种典型的过渡金属层状化合物，是自然界中辉钼矿的主要成分，其由2层硫原子和1层钼原子共同形成的硫（S）-钼（Mo）-S夹心层堆积而成，不同S-Mo-S层之间通过范德华力相互作用。二硫化钼通常以六方形式存在，每2层形成一次重复堆叠，即2H结构（图1），除了六方结构[2]，二硫化钼还可以堆叠成菱方结构（3R）和四方结构（1T），单层的二硫化钼厚度约为0.65nm，与金属态的石墨烯不同的是，单层二硫化钼是一种天然半导体材料，带隙约为1.80eV。?　在人们对二硫化钼二维材料有所认知之前，二硫化钼作为一种具有层状结构的硫化物，在生产生活中最主要的用途是作为润滑剂和石化领域加氢脱硫反应的催化剂。随着人们对二硫化钼二维材料认知的深入，二维二硫化钼一系列独特的物理化学性质逐渐被人们所发现，这使得它在微电子、传感、能源等领域都表现出极大的应用前景。?　一、二硫化钼的制备?　目前，二硫化钼二维材料的制备包括自下而上和自上而下2种方法。自下而上的制备方法又可以进一步分为2类[3]：一类是化学气相沉积法，通常是以钼或钼的氧化物等含钼物质为钼源，以硫或硫化氢为硫源，通过加热反应得到二硫化钼二维材料；另一类则是液相生长法，通常是以四硫代钼酸铵等富含硫的硫钼化合物为前驱体，或以硫化物和钼酸盐为反应物，在溶液中反应得到层状二硫化钼，这2种思路最主要的区别在于反应介质不同。?　相比于自下而上的方法，自上而下的方法则更为引人注目。二硫化钼的层状特性使得人们能够通过剥离体相二硫化钼来制备单层二硫化钼，而天然存在的二硫化钼——辉钼矿则为二硫化钼的剥离提供了廉价易得的来源，这一切使得二硫化钼二维材料的大规模生产具备了可能性。?　二、二硫化钼在信息技术产业领域的应用?　新一代半导体材料的研发对信息技术产业的发展至关重要。早在21世纪初，美国、日本以及部分欧洲国家便启动了第3代半导体技术的国家级发展计划。2013年，日本政府启动了面向新一代半导体设计计划，预计投入为1 000亿日元。2014年，IBM宣布将在未来5年内投入30亿美元用于下一代芯片研发。同年，美国纽约州政府宣布将联合100多家私营企业组建产业联盟，由通用电气公司牵头主导，开发新一代半导体材料和制造工艺。我国国家发展和改革委员会、国家财政部、工业和信息化部于2014年联合印发的《关键材料升级换代工程实施方案》同样也对新一代半导体材料的发展提出了要求。石墨烯作为首次被发现的二维材料，极大地拓展了人们的视野，使大家把目光从传统三维结构投向了平面电子的新世界，但石墨烯的零带隙特性却限制了它在微电子领域的应用。与石墨烯不同，二硫化钼二维材料天然具有带隙，是一种典型半导体材料，这就意味它的导电能力可以被开启和关闭，从而能够在信息技术产业领域发挥重要作用。?　二硫化钼的电子迁移速率大约是100cm2/（V·s（）即每平方厘米每伏秒通过100个电子），虽然要低于晶体硅的电子迁移速率1 400cm2/（V·s），但却要比非晶硅和其他超薄半导体的迁移速度更高。而且，二硫化钼二维材料的结构特性使得其能够被用于柔性电子产品的制备。2011年，由瑞士联邦理工学院的Andras Kis带领的研究团队利用仅有0.65nm厚的二硫化钼单层薄片首次制备出了基于二硫化钼二维材料的晶体管（图2）。2015年，来自美国加州大学河滨分校和伦斯勒理工学院的研究人员进一步发现二硫化钼能够用于制作耐高温电子元件[4]，他们制造出的二硫化钼薄片晶体管在220℃的高温情况下依然能长时间正常工作。同年，台湾科技部宣布，台湾和日本等地的科研机构组成的跨国团队已研制出单层二硫化钼P-N界面，有望取代硅晶片成为新一代半导体核心元件，结合单层二硫化钼的轻薄透明特性，这种技术有望被用于未来低耗能软性电子产品与穿戴式电子元件中。这些研究工作极大地增强了人们对二硫化钼二维材料电学性能的认知，使二硫化钼二维材料在信息技术产业领域的实际应用成为了可能。?　三、二硫化钼在电化学储锂的应用?　能源是社会发展的基础和动力，然而，煤炭、石油等传统化石燃料的大量使用却严重制约了经济转型和环境保护。为了推动能源生产和消费方式变革，近年来各