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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院吳長征教授實(shí)驗(yàn)課題組和武曉君教授理論計(jì)算課題組合作，成功實(shí)現(xiàn)非范德華力層狀材料AMX2（A=單價(jià)離子，M=三價(jià)離子，X=氧族元素）精準(zhǔn)剝離，獲得保持計(jì)量比的AMX2二維材料，為二維材料家族添加全新成員。該新二維材料展現(xiàn)出較之塊材提升三個(gè)數(shù)量級(jí)的室溫超離子導(dǎo)電行為。相關(guān)成果于10月18號(hào)在線發(fā)表在《自然?化學(xué)》雜志上(Nature Chemistry 2021, DOI: 10.1038/s41557-021-00800-4)。

近年來，二維材料由于獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和豐富的物理化學(xué)性能引起人們大量關(guān)注。其中，范德華力層狀材料，由于層間的弱相互作用力，使得人們可以通過多種剝離手段獲得其保持塊材的組分和結(jié)構(gòu)的單層二維材料，推進(jìn)了其在降維后量子限域效應(yīng)下的本征性能研究。對(duì)于非范德華力層狀材料，層間的強(qiáng)化學(xué)鍵作用極大地阻礙了原子級(jí)厚度二維結(jié)構(gòu)的制備。盡管通過選擇性刻蝕化學(xué)活性層，人為構(gòu)建范德華力間隙，能夠?qū)崿F(xiàn)單層或寡層納米片的制備，但目前往往不可避免劇烈破壞原始晶格，致使所獲二維材料的組分和結(jié)構(gòu)與塊材產(chǎn)生巨大差異。當(dāng)前，如何實(shí)現(xiàn)具有塊材組分和結(jié)構(gòu)的二維非范德華力層狀材料仍存在巨大挑戰(zhàn)。

AgCrS2的二維結(jié)構(gòu)與離子輸運(yùn)性能

為此，吳長征教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)非范德華力層狀材料AMX2系列化合物，通過可控電化學(xué)插層手段，利用金屬A與大半徑插層分子電對(duì)之間的氧化還原電勢(shì)差，成功剝離獲得與塊材幾乎一致組分和結(jié)構(gòu)的二維結(jié)構(gòu)，為二維材料家族添加全新成員。以AgCrS2為例，不同厚度的納米片均由兩層（CrS2）夾著一層Ag的三明治結(jié)構(gòu)方式組成，并表現(xiàn)出統(tǒng)一的AgnCrn+1S2(n+1)（n為Ag層數(shù)目）化學(xué)式。不僅如此，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)AgCrS2納米片的離子導(dǎo)電性隨著厚度降低而大幅提高，并在單層展現(xiàn)出室溫超離子導(dǎo)電行為，較之塊材提升了三個(gè)數(shù)量級(jí)。理論計(jì)算指出，在該二維材料中Ag+離子沿著四面體空位的躍遷能壘大幅降低，從而將這種在塊材中的高溫超離子導(dǎo)電相（僅在673 K以上出現(xiàn)）穩(wěn)定至室溫。

該項(xiàng)工作是吳長征教授課題組近年來在大尺寸二維納米片相關(guān)研究（全單晶溶液相剝離制備超大尺寸、缺陷可調(diào)的非碳二維材料以及二維同質(zhì)結(jié)構(gòu): JACS,2017,139, 9019；JACS,2018,104, 493;JACS,2019, 141,592;Adv. Mater.2019, 201900568）的拓展延續(xù)。二維材料全新家族成員，為未來二維非范德華力層狀材料的合成和探索提供了新思路。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度彭晶博士后，劉雨樺博士和呂海峰博士后是本論文共同第一作者，吳長征教授是本論文通訊作者。該項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委國家杰出青年科學(xué)基金、重大項(xiàng)目以及國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41557-021-00800-4

（微尺度國家研究中心、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部）