王 訓(xùn)

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二維MoSe2、MoS2納米片在一維納米線上的邊緣外延生長

王 訓(xùn)

(清華大學(xué)化學(xué)系，北京 100084)

近年來，構(gòu)建以二維材料為基礎(chǔ)的異質(zhì)結(jié)由于其在光電子器件、熱電子器件以及催化等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，受到研究者的廣泛關(guān)注1。如何設(shè)計和制備基于二維材料的異質(zhì)結(jié)，尤其是橫向外延異質(zhì)結(jié)是該領(lǐng)域面臨的一大挑戰(zhàn)。由于其特殊的二維晶體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的晶體(面心立方、密排六方等結(jié)構(gòu))有較大差異，目前橫向外延異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建僅局限于兩種材料都是二維材料，即都具有相同的二維晶體結(jié)構(gòu)，比如MoS2-MoSe22，MoS2-WS23,4，MoSe2-WS25等。然而，二維材料以邊緣接觸的方式，橫向外延生長在非二維材料表面尚未見報道。

最近，新加坡南洋理工大學(xué)張華教授課題組利用Cu2?S納米線為模板，以乙酰丙酮鉬為鉬源，在高溫(200 °C)下用蠕動泵緩慢注入硫源或硒源，實現(xiàn)了MoS2或MoSe2以邊緣接觸的方式垂直外延生長在一維Cu2?S納米線上。MoS2和MoSe2的生長密度以及納米片的大小可以通過控制注入的硫源或硒源的量來調(diào)整6。重要的是，所制備的Cu2?S-MoS2可以用陽離子交換的方式轉(zhuǎn)化成CdS-MoS2，且得到的CdS-MoS2可以保持原有的形貌不變。在光解水制氫中 CdS-MoS2顯示出優(yōu)異的催化性能。負(fù)載7.7% () MoS2的異質(zhì)結(jié)其制氫速率達(dá)4647 μmol·h?1·g?1，是純CdS的58倍。此工作的相關(guān)結(jié)果發(fā)表在國際著名期刊上。

為了搞清楚這種異質(zhì)結(jié)的界面結(jié)構(gòu)，研究人員利用球差校正電鏡進(jìn)行了一系列的表征。結(jié)果表明所制備的Cu2?S-MoSe2異質(zhì)結(jié)由三種物相組成，Cu2?S是由Cu1.94S和Cu2S組成的核-殼結(jié)構(gòu)，而MoSe2則垂直生長在Cu2S殼的表面。結(jié)構(gòu)分析顯示MoSe2與Cu2S之間是晶格匹配的外延生長，MoSe2(002)面的面間距(0.66 nm)恰好是Cu2S(002)面間距(0.33 nm)的兩倍；匹配的晶體結(jié)構(gòu)是構(gòu)建這種特殊異質(zhì)結(jié)的關(guān)鍵。進(jìn)一步分析顯示，MoSe2晶體中的Mo原子層位于Cu2S晶體的兩層Cu原子層中間，這意味著MoSe2中Se原子層與Cu2S晶體中的Cu原子層直接接觸。由于MoS2催化的活性位點在其邊緣，MoS2垂直生長在基底表面能暴露更多的催化活性位點。這是為什么該研究中通過陽離子交換得到的CdS-MoS2異質(zhì)結(jié)具有高催化活性的重要原因。

此項研究成果為發(fā)展制備以二維材料為基礎(chǔ)的新型異質(zhì)結(jié)提供了新的思路，使得構(gòu)建二維材料-非二維材料橫向外延異質(zhì)結(jié)成為可能。同時此研究對半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)在光解水制氫當(dāng)中的應(yīng)用有著積極的推動作用，勢必對以后半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)光催化劑的設(shè)計帶來全新的啟發(fā)。

(1) Geim, A. K.; Grigorieva, I. V.2013,, 419. doi: 10.1038/nature12385

(2) Duan, X.; Wang, C.; Shaw, J. C.; Cheng, R.; Chen, Y.; Li, H.; Wu, X.; Tang, Y.; Zhang, Q.; Pan, A.2014,, 1024. doi: 10.1038/nnano.2014.222

(3) Gong, Y.; Lin, J.; Wang, X.; Shi, G.; Lei, S.; Lin, Z.; Zou, X.; Ye, G.; Vajtai, R.; Yakobson, B. I.2014,, 1135.doi: 10.1038/nmat4091

(4) Heo, H.; Sung, J. H.; Jin, G.; Ahn, J. H.; Kim, K.; Lee, M. J.; Cha, S.; Choi, H.; Jo, M. H.2015,, 3803.doi: 10.1002/adma.201570169

(5) Li, M. Y.; Shi, Y.; Cheng, C. C.; Lu, L. S.; Lin, Y. C.; Tang, H. L.; Tsai, M. L.; Chu, C. W.; Wei, K. H.; He, J. H.2015, 349, 524.doi: 10.1126/science.aab4097

(6) Chen, J.; Wu, X. J.; Gong, Y.; Zhu, Y.; Yang, Z.; Li, B.; Lu, Q.; Yu, Y.; Han, S.; Zhang, Z.; Zong, Y.; Han, Y.; Gu, L.; Zhang, H.2017, doi: 10.1021/jacs.7b03752

Edge Epitaxy of Two-Dimensional MoSe2and MoS2Nanosheets on One-Dimensional Nanowires

WANG Xun

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10.3866/PKU.WHXB201706191