可以实现室温下相变的二维β-Cu2S纳米片

材料的维度对其基本性能有重要影响，近年有研究表明，即使相同的化学组成但维度不同的材料，它们的性质也可能有显著的差别。比如，许多的单层或少层二维材料（石墨烯、过渡金属硫族化物等）展示了与体材料明显不同的物理性质。而相变材料在信息存储、显微技术等方面有重要应用。Cu_2-xS作为一种多相材料被广泛研究，比如CuS和Cu₂S。其中，体材料Cu₂S随着温度的变化，会呈现三种相：α（>425 ℃）、β（105-425 ℃）、γ（<105 ℃）。在这三种相中，β-Cu₂S因为具有固液共存行为而特别具有研究价值。作为一种特殊的二维材料，β-Cu₂S晶胞显示出独特的固相-液相堆积，晶体中S原子形成了固定的类似石墨烯六角结构，而Cu原子则在S原子层中或在层层之间，并且呈现具有液体离子迁移特性。但是β-Cu₂S体材料在常温下是不稳定的（相变温度是105 ℃），这就很大程度限制了其实际应用。

最近，中科院半导体所半导体超晶格国家重点实验室李京波研究员（点击查看介绍）和魏钟鸣研究员（点击查看介绍）的研究团队，与中国科学院化学研究所/天津大学胡文平教授（点击查看介绍）、美国再生能源国家实验室汪林望博士的研究组合作，在二维β-Cu₂S纳米片的相变研究中取得新进展。该团队采用一种创新的超快降温化学气相沉积法成功获得了高质量、大尺寸的二维β-Cu₂S纳米片。同时，系统探索了材料的生长条件，通过调控生长过程中硫的含量，合成出了Cu_2-xS-Cu₂S复合材料以及CuS单晶。通过Raman和TEM等表征，这种二维β-Cu₂S纳米片具有很高的结晶度。通过测量不同低温下的XRD，发现这种纳米片由β-Cu₂S到γ-Cu₂S的相变温度是-15 ℃（258 K），这比体材料的相变温度（105 ℃）低了120 K。低温下测试的电导率和Raman图谱都表明这种材料在258 K附近发生了突变，与XRD结果相符合，进一步确认了该相变温度值。他们还用分子动力学方法计算了这种材料的稳定性，结果表明这种二维结构的β-Cu₂S能在室温下稳定存在，与实验数据相吻合（如图1所示）。该研究显示了二维β-Cu₂S在相变材料、未来信息存储等方面的潜在应用。

图1. 二维β-Cu₂S相变的实验和理论计算结果（Adv. Mater., 2016, 28, 8271–8276）。

图2. 该论文被选为当期的背封面图。

这一成果近期发表在《Advanced Materials》上，并选做当期的背封面（Back Cover），如图2所示。文章的第一作者是中国科学院半导体研究所博士研究生黎博。该工作得到国家自然科学基金委员会和中国科学院的支持。

该论文作者为：Bo Li, Le Huang, Guangyao Zhao, Zhongming Wei,* Huanli Dong, Wenping Hu,* Lin-Wang Wang,* and Jingbo Li*

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/adma.201602701/abstract

Large-Size 2D β-Cu₂S Nanosheets with Giant Phase Transition Temperature Lowering (120 K) Synthesized by a Novel Method of Super-Cooling Chemical-Vapor-Deposition

Adv. Mater., 2016, 28, 8271-8276, DOI: 10.1002/adma.201602701

背封面链接：

http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/adma.201670264/abstract

导师介绍

李京波研究员

http://www.x-mol.com/university/faculty/26827

魏钟鸣研究员

http://www.x-mol.com/university/faculty/26828

胡文平教授

http://www.x-mol.com/university/faculty/26829

X-MOL材料领域学术讨论QQ群（338590714）