​《Science》:傳統手藝再創新!手撕膠帶也能撕出釐米級單層二維晶體

2021-01-16 高分子科學前沿

從2004年石墨烯的發現開始，二維材料的研究成為一個非常活躍的領域。對那些具有同質或者異質結構單層二維材料的研究有可能發現新的物理現象和量子材料。雖然這種單層二維材料具有很多特殊「本領」，如何大規模、高質量的生產宏觀尺寸的單層二維材料是這種材料商業化應用亟待解決的關鍵問題。液相剝離法可以進行規模化生產，但是只能得到幾個微米的材料，而且質量不高；化學氣相沉積製備的材料缺陷密度高，性能不佳。迄今為止，要想製備出高質量的單層二維材料，還得靠「祖傳」的膠帶法，其尺寸一般小於100 mm，材料屈服強度很低。為了大規模、高質量製備出大尺寸單層二維van der Waals晶體材料，哥倫比亞大學Xiaoyang Zhu教授課題組對傳統的手撕膠帶工藝進行了改進提出了一種金膜膠帶法，首先在膠帶上製備一層超平整的金膜，利用金膜與晶體材料之間的強大的van der Waals（vdW）力將塊狀晶體層層剝離為單層二維材料，這種方法製備的二維材料尺寸取決於塊狀晶體的尺寸，一般為毫米或者釐米級，收率接近100%。這一成果將單層二維材料的尺寸和收率提高了20~30倍。圖1. 層層剝離大尺寸單晶示意圖。（A）製備方法；（B）層層剝離示意圖；（C）從釐米尺寸WSe2單晶上連續剝離六層單層二維晶體材料。為了製備出大尺寸二維單晶，最關鍵的一步是製備出超級平坦的金膜，研究者在高度拋光的矽晶片表面蒸鍍一層金膜，用熱敏膠帶和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）中間層將金膜剝離下來。這種超平整的金膜表面粗糙度達到原子級，與塊狀晶體表面之間接觸時會產生強大且均勻的vdW力，足以從塊狀晶體上層層剝離出單層二維晶體。撕下熱敏膠帶，洗掉PVP層，蝕刻掉金膜，就能得到具有宏觀尺寸（大小通常為毫米~釐米之間）的單層膜。製備的單層二維晶體尺寸取決於塊狀晶體的尺寸，也就是說塊狀晶體尺寸有多大，撕下來的單層二維晶體尺寸就有多大。研究者將剝離的單層二維晶體尺寸與塊狀晶體尺寸的面積比稱作剝離收率，發現這種方法的收率接近100%。而且這種方法適用面廣，可以剝離WS2、MoS2、WSe2、MoSe2、ReS2等多種晶體。圖2. 本文的方法與傳統膠帶法製備的單層材料光致發光譜和密度分布對比。為了證實新方法製備的多種單層二維晶體材料（WS2、MoS2、WSe2、MoSe2）的性能，研究者與傳統膠帶法製備的材料進行對比。發現新方法製備的材料性能與傳統方法製備的材料性能接近或者更好，兩種方法製備的MoS2和MoSe2單層二維晶體的光致發光譜（PL）幾乎相同，PL圖像直方圖顯示新方法製備的材料PL強度與傳統膠帶法的PL強度一致或更高。對於WS2和WSe2晶體，由於存在暗激子和多體態，這兩種方法的PL光譜比較複雜，但是新方法製備的材料總體PL強度與傳統膠帶法相當或更高。這些都說明新方法製備的大尺寸二維晶體材料質量與傳統方法不相上下。在製備出大尺寸單層二維晶體的基礎上，研究者將單層晶體進行人工堆疊，製備出超薄的具有非線性光學特性的材料。單層二維晶體具有天生的反演對稱性破缺，具有超強的非線性磁化率，反映在了其強烈的二次諧波產生（SHG）中。但是在塊狀晶體中相鄰層的晶體取向彼此反向對齊，SHG響應較小。研究者將得到的單層二維晶體重新堆疊成偶數（或奇數）的人工晶體，研究了人工堆疊1~5層的MoSe2人工晶體的SHG響應。發現在極薄的厚度下，材料的SHG響應取決於相鄰層的相長幹涉，接近二次光學響應的理想極限，由於在納米尺度上相位失配可以忽略，才實現了接近完美的相干增強。隨著人造晶體厚度的增加，相干響應可能達到20 nm。圖4. 宏觀MoSe2/WSe2異質雙層。（A）在SiO2/Si襯底上毫米級MoSe2/WSe2異質結構的光學圖像；（B）沿Γ–K方向測量的毫米級MoSe2/WSe2異質結構的ARPES圖；（C）h-BN包裹的MoSe2/WSe2異質雙分子層間激子的低溫（4 K）PL光譜。研究者將不同的單層二維單晶片層進行堆疊，得到了MoSe2/WSe2異質雙層結構，尺寸為4 mm，扭曲角為3.0±0.5°。發現在角度分辨光發射光譜圖（ARPES）中，晶體在Γ–K方向的ARPES譜與理論計算非常吻合，BN封裝的異質雙分子層低溫PL分析表現出電荷分離的層間激子的主要輻射複合，這與傳統膠帶法製備的MoSe2/WSe2異質雙分子層中的結果也非常吻合。新方法製備的異質雙層樣品中源於單層的層內激子被完全淬滅，說明了MoSe2/WSe2界面質量非常高。為了製備出大尺寸、高質量的單層二維晶體，哥倫比亞大學Xiaoyang Zhu教授課題組在傳統膠帶法的基礎上提出一種金膜膠帶法，利用原子級平整的金膜與塊狀晶體產生的強大而均勻的VdW力，實現了塊狀晶體的層層剝離，製備出大尺寸、高質量的單層二維晶體材料，宏觀尺寸達到微米~釐米級，收率接近100%，與傳統方法相比，新方法製備的材料尺寸和收率提高了20~30倍。PL分析發現，新方法製備的材料性能與傳統方法製備的材料性能接近或更好，通過單層二維晶體的人工堆疊，實現了超薄二維材料完美的光學響應。https://science.sciencemag.org/content/367/6480/903/tab-pdf

高分子科學前沿建立了「二維材料」等交流群，添加小編為好友（微信號：polymer-xiang，請備註：名字-單位-職稱-研究方向），邀請入群。

來源：高分子科學前沿

聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！

---納米纖維素找北方世紀---

微信加群：

「高分子科學前沿」匯集了20萬高分子領域的專家學者、研究/研發人員。我們組建了80餘個綜合交流群（包括：教師群、企業高管群、碩士博士群、北美、歐洲等），專業交流群（塑料、橡塑彈性體、纖維、塗層黏合劑、油墨、凝膠、生物醫用高分子、高分子合成、膜材料、石墨烯、納米材料、表徵技術、車用高分子、發泡、聚醯亞胺、抗菌、仿生、腫瘤治療）。

添加主編為好友（微信號：polymer-xiang，請備註：名字-單位-職稱-研究方向）或長按二維碼添加小編為好友，邀請入群。

添加 小編  微信（務必備註：名字-單位-職稱-研究方向）

邀請您入討論群

（ 微信二維碼  掃碼添加）


我們的微博：高分子科學前沿，歡迎和我們互動。

我們的QQ交流群：451749996（務必備註：名字-單位-研究方向）

投稿 薦稿 合作：editor@polysci.cn

Long-press QR code to transfer me a reward

As required by Apple's new policy, the Reward feature has been disabled on Weixin for iOS. You can still reward an Official Account by transferring money via QR code.

相關焦點

  • 磁懸浮青蛙、「博士」倉鼠、膠帶粘石墨烯|看諾獎雙料得主海姆都做過啥研究?
    期間一項重要的工作是二維石墨烯的製備。石墨烯（Graphene）是目前最薄、強度最高的材料。石墨烯的強度比最好的鋼材還要高几百倍，如果把一塊重量1毫克左右的石墨烯做成1平方米的平面的話，它可以承受1公斤物體的重量。此外，石墨烯還有很好的彈性，能拉伸自身尺度的20%，因此，石墨烯有著巨大的應用前景。石墨烯這個項目，海姆一開始是交給他的一位叫江達（音譯）的中國留學生負責的。
  • 進展|二維原子晶體VTe2的近藤效應
    近年來，少層二維原子晶體CrI3和Cr2Ge2Te6等本徵鐵磁性的發現激發了二維磁性材料的研究熱潮。理論預測單層釩基過渡金屬硫族化合物（TMD）VX2（X = S，Se，Te）為本徵鐵磁性材料，單層VSe2的室溫鐵磁性已在實驗上觀測到，然而，隨著層數的增加，VSe2中的鐵磁性迅速減弱，由於其塊體材料的順磁性，VSe2的本徵鐵磁性仍存在爭議。
  • 晶片革命:二維材料顛覆傳統計算架構
    為了能將電晶體的特徵尺寸降低到5nm以下，由於其懸掛鍵會帶來的強散射，因此體材料將不再是一個最佳的材料體系。而二維材料的無懸掛鍵優勢使得其有可能克服傳統電晶體的尺寸限制，同時實現計算和內存融合的高面積效率集成計算結構。
  • 段曦東:二維材料淘金者
    自從英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫於2004年成功製備出石墨烯，並獲得2010年諾貝爾物理學獎後，以石墨烯為代表的二維材料研究熱潮迅速興起。由於原子級薄的二維材料具有完美的晶體結構、優異的物理化學性能和吸引人的潛在應用，它迅速成為各大高校及工業界的研究熱點。
  • 物理所二維材料構築超短溝道電晶體研究獲進展
    傳統矽基場效應電晶體要求溝道厚度小於溝道長度的1/3，以有效避免短溝道效應。但受傳統半導體材料限制，溝道厚度不能持續減小。近年來，利用二維半導體材料來構造短溝道電晶體器件已經成為一個前沿探索的熱點課題。二維材料因其達到物理極限的厚度成為一種構造超短溝道電晶體的潛在材料，理論上可以有效降低短溝道效應。但構造一個真正的三端亞5納米短溝道場效應電晶體器件來有效避免短溝道效應，還存在技術上的挑戰。
  • 膠帶撕出來的諾貝爾獎,原來我們曾經離諾貝爾獎這麼近!
    一釐米厚的石墨由一千五百萬層碳原子堆成，單層的碳原子實在是太薄了。科學家用盡了各種手段，都無法分離出單層的石墨。然後安德利和康斯坦丁來了。這兩位俄羅斯裔的學者以戰鬥民族的獨特思維想出了一個簡單到令人髮指的法子：拿膠帶撕。
  • 物理所等在二維原子晶體VTe2的近藤效應研究中獲進展---「中科院之...
    近年來，少層二維原子晶體CrI3和Cr2Ge2Te6等本徵鐵磁性的發現激發了二維磁性材料的研究熱潮。理論預測單層釩基過渡金屬硫族化合物（TMD）VX2（X = S，Se，Te）為本徵鐵磁性材料，單層VSe2的室溫鐵磁性已在實驗上觀測到，然而，隨著層數的增加，VSe2中的鐵磁性迅速減弱，由於其塊體材料的順磁性，VSe2的本徵鐵磁性仍存在爭議。
  • 二維材料領域重要進展
    近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫工所納米調控與生物力學研究中心在2D-2D二維超薄異質結研究方面獲得新進展。論文連結：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b08651發展至今，納米材料的合成製備在其組分、尺寸和形貌上已經得到了精準地控制，各種納米級的製備手段也被巧妙地開發出來，實現了諸如等離子體、金屬納米粒子、金屬硫族化物量子點以及多組分的納米顆粒等材料的製備與合成。
  • 【學術之星】鄧雨君的「二維世界奇遇記」
    」物理學系2016級博士生鄧雨君將自己在復旦的學術生涯描述為「二維世界奇遇記」。從2015年大三開始，鄧雨君就在張遠波教授的課題組裡工作，轉眼已經過去了五年。她說，復旦為她提供了寬廣的學習空間和科研平臺，她在復旦遇到了非常好的導師和同事，也很幸運在自己的科研領域內有所發現。
  • 石墨烯竟然是用膠帶粘出來的,還獲得了諾貝爾獎?
    其實石墨烯的研究一直都在科學家們的密切關注下，只是在理論學的角度下，二維晶體在現實中不能穩定的存在，但是石墨烯的發現，打破了多年的陳舊知識和之前的理論預言，科學家們也開始了對二維材料進行一系列研究。那麼石墨烯到底是怎樣被發現的呢？其實早在1840年，科學家們就通過氧化石墨，使石墨的分層變得更薄。
  • 幾條膠帶,孩子也能成為藝術大師
    材料非常簡單：膠帶、紙、兒童安全剪刀、顏料。首先，在紙上貼膠帶，可以隨心所欲地貼出自己想要的圖案。注意孩子的手小、勁沒有那麼大，要幫助他把膠帶貼實。貼完膠帶之後，就可以用顏料盡情塗抹。等顏料幹透，把膠帶撕下來，一幅畫就完成了！
  • 手撕《蒙娜麗莎》!日本90後博主撕碎無數手帳膠帶,花樣還原世界名畫!
    不過你平時「摳摳搜搜」不捨得多撕一點的膠帶，在日推上卻有個姑娘專門撕它來玩！ 在一次課程作業上，船原在不強制作畫形式的要求下，意外地用這些囤積的各種顏色的膠帶拼貼出了一幅《蒙娜麗莎》。
  • AI瞬間就能找到二維材料
    東京大學下屬的工業科學研究所的研究人員展示了一種新型的人工智慧系統，該系統可以瞬間找到並標記顯微鏡圖像中的二維材料。這項工作可以幫助縮短基於二維材料的電子產品用於消費類設備所需的時間。二維材料為創建電子設備（例如電晶體和發光二極體）提供了令人興奮的新平臺。
  • 為什麼徒手撕膠帶很難?
    參與文末互動還有機會獲得贈書喔~不管是拆快遞還是做手工，撕膠帶都不是一件讓人十分愉快的事兒。如果我沒有留指甲，可能用手指摸索了一圈都找不到膠帶的頭；即使用長指甲挑開了膠帶的開端，也很可能會因為撕開的角度比較奇怪而得到一塊碎片，或者撕成了三角形；最難的是，在撕扯和粘貼的過程中，難免會讓有黏性的一面粘在一起……就是撕個膠帶而已，我也太難了。膠帶這種為了生活便利而誕生的東西，為什麼離開了剪刀，用起來就這麼麻煩呢？
  • 一口氣解理40種大面積單晶二維材料!
    指出了層狀材料單層中的最外層元素是影響解理過程的關鍵；2，利用金輔助的方法，成功解理出了40種毫米量級二維材料，並製備出了懸空結構和異質結；3，通過控制金屬層厚度可以實現導電和絕緣的調控，首次在金屬薄膜上製備出高開關比的場效應電晶體。
  • 徒手撕膠帶,太炫酷了,生活小技巧原來無處不在
    如何徒手撕膠帶。大妙教你小妙招。如果身邊沒有剪刀，如何將膠帶紙齊口撕開還不浪費，今天大妙教你一招。然後在膠帶的斷口處也就是這個位置，向內摺疊一個三角形。將三角形翻過去，用拇指扣住按緊了。接下來用另一隻手像這樣繃住膠帶，同樣拇指跟食指像這樣掐在斷口處，上下一用力，膠帶就齊口斷開了，小的膠帶如此輕鬆，那大的膠帶是否也是如此呢。當我們把膠帶的一端固定住，然後把膠帶拉直，這樣就會產生一個橫向作用力，膠帶就會變薄，此時我們用左手按住膠帶，右手的拇指跟食指抵住膠帶，大拇指微微一壓。膠帶就應聲而斷了。
  • 撕透明膠帶可能會發出X光射線?擔心輻射大可不必!
    Drew製作的美紋紙膠帶既能牢固地粘在汽車表面，也容易剝離，不會出現像自製膠水+舊報紙一旦用力撕扯，就會破壞車漆的情況，可以說很好地解決了油漆工們的難點。但在那個時候，這種產品還主要是作為輔助工具用於專業汽配領域。直到完成第二次創新，膠帶才真正引起廣泛關注。
  • 85後科學家製造出世界上最薄的鰭式電晶體,突破半導體工藝
    「納米積木」（原子層範德華納米材料及其異質結構），就是把不同的層狀材料的單層或少層分離出來，像搭積木一樣，通過堆疊、旋轉等方式，設計特定的形狀或結構，形成一個自然界中不存在的 「人造晶體」。圖 | 《麻省理工科技評論》「35 歲以下科技創新 35 人」 2020 年中國區榜單入選者韓拯憑藉上述研究成果，韓拯成功入選 「35 歲以下科技創新 35 人」（Innovators Under 35）2020 年中國區榜單，獲獎理由為用二維功能材料製造新型的納米電子器件，以新型的原子層次製造路線突破半導體工藝，為後摩爾時代電晶體工藝尋找新方案
  • 二維金量子點:有望應用於量子計算和新一代電子器件!
    如今，越來越多的二維材料被發現以及深入研究，其中不乏可作為半導體使用的二維材料，例如過渡金屬硫族化合物、黑磷等。目前，科學家已經利用這些二維材料創造出許多的半導體器件。由二硫化鉬製成的超薄柔性微處理器（圖片來源：Stefan Wachter/維也納技術大學）這些二維半導體將為正走向終結的摩爾定律注入新的希望，在量子計算和新一代電子器件中發揮更大的作用。