AFM综述: 基于主族元素化合物的二维材料的相、合成、表征及应用

【引言】

自石墨烯被发现以来，二维材料（2D）由于其特殊的电子，机械和光学特性而备受关注。与石墨烯和过渡金属硫化物(TMD)相比，基于主族元素的2D材料具有更复杂的单层结构，并且由于其新颖的光电特性，最近也受到越来越多的研究兴趣。与TMD不同，主族元素中的d轨道被完全占据。在化合物的形成过程中，主族元素仅从s和p轨道贡献电子。因此，这些化合物可以有多种形式，例如MX，M₂X₃，M₃X₄和MX₂，它们形成了具有X–M–M–X, X–M–X–M–X, X-MX-M-X-M-X的单层结构，而不仅限于三明治结构。这个特性赋予了材料具有更多的晶体结构（相），性质和应用。在相同的分子式下，不同的相结构是调控材料物理性质的有效方法。而通过相结构和2D材料中的量子限域效果的结合更是丰富了它们的性能与应用。例如，单层β-In₂Se₃具有间带跃迁，而单层α-In2Se3显现出直带的性质。更为重要的是，由于维度的降低（2D），某些在体相材料中不稳定的相结构可以在室温稳定，从而实现了许多新特性，例如铁电效应，各向异性的光学和电学特性。但是，目前尚无关于主族材料2D材料的相结构控制，相变以及相关性能和应用的综述。

近日，澳大利亚澳洲国立大学Yin Zongyou教授和Lu Yuerui教授联合南开大学杜亚平教授（共同通讯作者）在Advanced Functional Materials上发表了题为“2D Materials Based on Main Group Element Compounds: Phases, Synthesis, Characterization, and Applications”的综述文章。该综述系统总结了基于主族元素化合物（包括III-VI，IV-VI，V-VI，III-V，IV-V和V-V材料）的2D二元材料不同相的最新研究。对于每种材料，讨论了其多相结构，制备方法，性质表征和应用实例。 此外，通过比较它们的已知体相结构和2D材料的相结构来说明这些2D材料的潜在相。在这篇综述中，还给出了控制这些2D材料相结构的某些策略。然后讨论和预测了这些具有不同相的2D材料的潜在特性。最后，本文重点介绍了2D材料在相结构控制的问题和挑战，并指出开发这些2D材料的发展方向。

【图文导读】

图一InSe和β-In2Se3γ-In2Se3的结构示意图

图二不同相In₂Se₃的性能表征

（a，b）α，β和γ-In₂Se₃中与厚度有关的带隙。

（c）InSe的PL光谱。

图三Ga-Te不同相的性质

（a）六角形和单斜GaTe的晶体结构示意图。

（b）在六方晶系和单斜晶系GaTe中，PL峰值能量对Se含量的相位依赖性。

（c）129和144 cm-1处的两个Ag拉曼激活模式的位置随层数的变化而变化。

（d）Ag模式的拉曼频率差与层数n的关系。

图四单层SnS2(SnSe₂)和单层MoS₂(MoSe₂)的原子结构

图五Ge₄Se₃Te晶体结构与α-GeTe和β-GaSe的相关结构比较

图六通过范德华力（vdW）连接具有Se-Bi-Se-Bi-Se层的Bi₂Se₃菱面体晶体结构的示意图

图七BiAs多晶型物平衡结构的俯视图和侧视图

【小结】

这篇综述总结了基于主族元素化合物的2D二元材料中的不同相结构的研究。聚焦于其晶体结构，稳定性，合成方法，电子和光学性质以及各种应用。当2D材料的厚度降为原子尺度后，不稳定的相结构可能变的稳定，从而新的性质与应用可以得到验证。 另外，本文也探讨了一些已知的2D材料相结构控制的方法和策略，并且为其它2D材料新相的合成提供了可能性。目前，这些2D材料的主要合成方法是基于传统的溶液化学方法和基于蒸镀的物理方法。此外，出现了一些新方法，特别是对于没有层状结构的材料。某些材料的特性和传统应用已得到广泛研究，而新相结构的开发更能丰富这些材料的应用。最后，基于理论计算，很多材料的新相和性质还有待验证，而这些材料的研究还处于非常早期的阶段，还存在许多问题丞待解决。

文献链接：“2D Materials Based on Main Group Element Compounds: Phases, Synthesis, Characterization, and Applications”(DOI: 10.1002/adfm.202001127)

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