香港城市大学Nat. Synth. | 溶液可处理WS₂单层或双层的相变制备

摘要：近日，Nat. Synth.在线发表了香港城市大学Zhiyuan Zeng、Xinge Yu、麻省理工学院Ju Li和宁波东方理工大学M. Danny Gu课题组的研究论文，题目为「Phase-switchable preparation of solutio

近日，Nat. Synth.在线发表了香港城市大学Zhiyuan Zeng、Xinge Yu、麻省理工学院Ju Li和宁波东方理工大学M. Danny Gu课题组的研究论文，题目为「Phase-switchable preparation of solution-processable WS₂ mono- or bilayers」，论文的第一作者为Liang Mei、Zhan Gao、Ruijie Yang和Zhen Zhang。

晶体相是决定二维过渡金属硫族化合物（TMDs）性质和应用的关键参数。VI族TMDs（如MoS₂和WS₂）可以存在于不同的相中（2H、1T或1T'），这取决于过渡金属原子的配位几何形状。1T（八面体配位）和1T'（畸变八面体配位）VI族TMDs分别表现出金属和半金属性质，使其成为储能、能量转换和超导应用的有前景候选材料。相比之下，2H（三棱柱配位）VI族TMDs通常是带隙为1-2 eV的半导体，使其非常适合纳米电子和光电子的应用。

因此，制备具有针对预期应用量身定制的指定相二维VI族TMDs（特别是溶液可处理TMDs）非常重要，因为溶液可处理的二维TMDs与基于溶液的沉积技术（如喷墨打印、工业卷对卷涂层、滴铸和旋转涂层）兼容，有助于轻松和可扩展地制造可定制的器件。尽管这种可印刷的二维VI族TMDs溶液可以通过在溶剂和外来物质（例如，四烷基铵离子、硫酸根离子和小分子）插层的液体剥离中直接进行液体剥离来制备，但最终二维产物的相是不可调节的，与最初的体相对应物保持相同的相。

先前的研究表明，在锂离子（Li⁺）插层剥离过程中，VI族TMDs发生2H-1T/1T'相变，导致二维纳米片（NSs）具有2H和1T/1T'的混合相。理论上，这是因为Li⁺插层涉及电子从客体锂的s轨道注入到主体过渡金属原子的d轨道，以保持整体电荷中性。当电子注入超过一定阈值时，2H相VI族TMDs的稳定性将低于1T或1T'相，从而导致相应的相变。相变的发生意味着Li⁺插层剥离理论上可以成为制备具有按需相的溶液可加工VI族二维 TMDs的可行方法。尽管如此，这还没有在实验中真正实现，因为相变的转换仍然未知。

在此研究中，作者发现了电化学Li⁺插层剥离过程中相变的电转换，实现了溶液可处理WS₂单层或双层从其体相对应物的相变剥离。具体来说，在较小的放电电流密度（0.005 A g⁻¹，截止电压为0.9 V）下，Li⁺插层会导致WS₂边缘形成致密的固体电解质界面（SEI）膜，这将Li⁺插层限制在相变阈值以下，从而形成半导体2H-WS₂双层。相反，较大的放电电流密度（0.02 A g⁻¹，截止电压为0.7 V）将导致2H-1T/1T'相变，从而产生半金属1T'-WS₂单层。在这种情况下，没有形成明显的SEI膜。因此，Li⁺可以完全插层到WS₂中，导致相变。这项研究发现为基于电化学Li⁺插层的剥离策略注入了新的活力，使其成为大规模生产具有指定相的溶液可加工VI族二维TMDs的可行方法。