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层状二维材料缺陷位纳米空间分辨表征

层状二维材料具有独特的物理化学性质,在光电器件、传感、能源和催化等领域得到了高度关注和广泛应用。二维材料在制备过程中不可避免引入结构缺陷,虽然这些缺陷尺度仅为数纳米甚至单原子,但是会极大地改变材料的结构和电子性质,从而影响其应用。如果能在二维材料的应用环境下(大气或者液相)高空间分辨地表征缺陷的晶格结构与电子性质,有助于准确地获取其构效关系。这对有效地进行缺陷工程化,进一步优化基于薄层二维材料的应用具有重要意义。然而,深入研究非石墨烯二维材料缺陷的结构与电子性质仍是一个巨大的挑战,急需原位、高空间分辨的表征技术。


厦门大学任斌教授课题组和中科院半导体研究所谭平恒研究员课题组通过实验表征和理论计算的合作,通过针尖增强拉曼光谱(TERS)对薄层MoS2一维缺陷(边缘、台阶和褶皱等)进行高空间分辨的成像,获得了互相关联的AFM形貌与TERS光谱信息,系统研究了不同缺陷位的结构与电子性质。研究发现,与单层MoS2的边缘和褶皱相比,两层MoS2的边缘和一层-两层之间的台阶位具有独特的电子-声子相互作用,从而引起能带间的双共振拉曼散射 (396 cm-1, LA(M)+TA(M)),导致缺陷位附近~1.8 nm范围内材料的能带发生弯曲。缺陷位具有特殊电子能带结构以及高化学活性(如氧吸附),与完美的晶格结构相比具有较低的电子密度,在缺陷位和完美晶格结构之间形成10~19 nm范围的自由电子扩散长度。


此外,该工作还利用对缺陷结构和电子性质敏感的拉曼振动模 (A1g) 的谱峰位移 ,发展出可以区分不同MoS2边缘类型的方法,发现在zigzag边缘 A1g红移,在armchair边缘 A1g蓝移。该工作表明了TERS在原位、高空间分辨表征缺陷位的结构和电子性质方面的独特优势,可以进一步推广到其他二维材料,从而有效地指导缺陷设计和材料应用。


这一成果近期发表在Nature Communications 上,文章的第一作者是厦门大学化学化工学院已毕业博士研究生黄腾翔和中科院半导体研究所博士研究生从鑫


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Probing the edge-related properties of atomically thin MoS2 at nanoscale

Teng-Xiang Huang, Xin Cong, Si-Si Wu, Kai-Qiang Lin, Xu Yao, Yu-Han He, Jiang-Bin Wu, Yi-Fan Bao, Sheng-Chao Huang, Xiang Wang, Ping-Heng Tan, Bin Ren

Nat. Commun., 2019, 10, 5544, DOI: 10.1038/s41467-019-13486-7


研究团队简介


任斌,厦门大学化学系教授。分别于1992年和1998年在厦门大学化学系获得学士和博士学位。1998年留校任教至今,历任助理研究员、副研究员和教授(2004)。其中,2002-2003年受洪堡基金(AvH)资助在德国Fritz-Haber研究所从事科研合作。主要从事针尖增强拉曼光谱(TERS)、表面增强拉曼光谱(SERS)以及纳米和光谱电化学新方法发展、仪器研制及其在表、界面过程及细胞生物体系的应用研究。迄今已发表SCI论文200多篇,包括Nature Nanotechnol.、Nature Commun.、JACS、Angew. Chem.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.等期刊,谷歌学术他引21000余次,h-index 71。2008年获国家杰出青年科学基金,2016年入选第二批国家“万人计划”科技创新领军人才和教育部“长江学者”特聘教授。


https://www.x-mol.com/university/faculty/14056


谭平恒,中科院半导体研究所研究员。1996年毕业于北京大学物理系取得学士学位,2001年在中科院半导体研究所获得博士学位。2001-2003年在德国慕尼黑技术大学Walter Schotty研究所博士后,2006-2007年剑桥大学访问学者。2003年起就职于中科院半导体研究所,历任副研究员和研究员(2009)。主要从事半导体低维纳米材料的光学和电学性质研究。迄今已发表SCI论文200余篇,包括Chem. Soc. Rev.、Nat. Mater.、Nat. Commun.、Phys. Rev. Lett.,、J. Am. Chem. Soc.Sci. Bull.等期刊,谷歌学术他引13000余次,h-index 48。2012年获国家杰出青年研究基金资助,2015年入选科技部中青年科技创新领军人才并获黄昆物理研究奖,2017年入选国家万人计划科技创新领军人才,2018年和2019年入选科睿唯安全球高被引科学家。


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