崭新合成技术 揭开新一代TMD纳米物料晶体结构神秘面纱

 

今次研究由城大化学系胡晓明讲座教授（纳米材料）张华教授与新加坡南洋理工大学/材料研究与工程研究院的Kedar Hippalgaonkar博士联合领导。该研究成果已刊载于学术期刊《Nature Materials》上，题为〈Metastable 1T′-phase group VIB transition metal dichalcogenide crystals〉。

 

由于上述TMDs属亚稳相材料，意味着它们并非处于热力学上最稳定的状态，故其晶体结构复杂兼有多种变化，具有多种不同的“晶相（结构）”，使科学家们在研究时屡遇困难。因为无论在自然界还是实验室里，这类TMD材料都经常以混合物形态出现，即不同的晶相结构混杂其中，有欠纯正，极不利于对其本征的物理化学性质进行科学研究。来自世界各地的科学家们曾针对此类TMD材料的合成尝试过不同的合成方法，包括化学/电化学碱金属离子插层、胶体合成、水热合成、电子束辐照、机械应变、等离子体热电子或化学气相沉积等技术，除了制成品往往质素欠佳之外，其产量亦远不足应付需求。

 

在今次研究中，研究团队经过持续不懈的努力，终于找到了突破前人的创新方法，成功地解决上述的制备困难。突破的关键是团队在以往的研究积累中发现了一类特殊的“前驱体（precursor）”，它们在合成非常规1T′相TMD材料的“气固相反应”（gas-solid reaction）中，起到至关重要的作用，但制造该类前驱体极其不易。团队经多番尝试后，最终采用真空密闭的“安瓿管（密封无缝石英管）”作为实验原材料的反应容器，终于在高温环境下成功地制备出一系列重要的“前驱体”。研究人员继而使用该类前驱体于H₂和Ar混合氛围下进行气固相反应，最终高效且大量地合成了六种具有高质量和高纯度的非常规1T′相TMD晶体。

 

研究人员在得到这些高质且高纯的TMD晶体后，利用先进的“单晶Ｘ射线衍散技术”对其进行了详细检测，成功地解析出WS₂、WSe₂、MoS₂和MoSe₂这四种“非常规1T′相TMD”的详细单晶晶体结构，揭开了其神秘面纱。该项合成技术的突破，料有助于其在材料科学、晶体学、物理学及化学等领域的进一步研究。

 

在研究过程中，研究人员亦对合成的非常规1T′相WS₂（二硫化钨）材料进行了超导性测试，结果不单确认它是卓越的超导体，还发现它的“超导转变温度”与其厚度具有很强的关联性。实验结果显示：当材料厚度为90.1纳米时，超导转变温度为8.6K；但当材料变薄至“单层（原子）”厚度时，超导转变温度会降至5.7K。“这说明它是一种典型的二维超导体，是到目前为止基于TMD材料的最好超导体之一。”张教授说。

本次研究的通讯作者是张华教授和Hippalgaonkar博士。第一作者分别是城大化学系博士后研究员赖壮钗博士、材料科学及工程学系助理教授何其远博士、新加坡南洋理工大学Thu Ha Tran女士及新加坡材料研究与工程研究院D. V. Maheswar Repaka博士。团队亦包括其余21位来自8所大学及研究机构的研究人员。