拓扑绝缘体纳米网络结构制作的宽光谱透明柔性导电薄膜

拓扑绝缘体是一种全新的量子物态,其体相是有带隙的绝缘体,表面或边界是无能隙的金属态。因内禀的拓扑保护,表面态形成的二维电子气非常稳定,基本不受杂质的影响,故而在光电器件、自旋电子器件、清洁能源和催化等方面有潜在的应用前景。以Bi2Se3, Bi2Te3和Sb2Te3为代表的拓扑绝缘体薄片是一种新型的准二维晶体材料,其独特的二维层状结构和拓扑保护的金属表面态显示出许多优异的物理化学性质。

北京大学纳米化学研究中心刘忠范/彭海琳研究团队率先提出和实现了利用“范德华外延”法生长的拓扑绝缘体纳米薄片制作柔性透明导电薄膜的思路,并就此进行了一系列深入而细致的研究。他们在前期研究(Nature Chemistry 2012, 4, 281)中发现,在透明绝缘的云母薄片衬底上气相外延生长出的拓扑绝缘体Bi2Se3纳米薄片在宽波段(尤其是近红外波段)有很高的透光性、良好的导电性、抗扰动能力和机械柔性。为了进一步改善这类薄膜在可见光区的透光性,真正实现宽光谱范围内的高透光性,他们利用之前发展的拓扑绝缘体“选区范德华外延”的生长方法(J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 6132),进一步设计和制备了拓扑绝缘体二维网络结构,将之前连续的薄膜结构图案化,使网眼处100%透光,从而使可见光区透光性由之前的40%左右提高到80%以上,实现了宽光谱透明性。此外,拓扑网络薄膜具有很好的结晶性和清晰的拓扑表面态。由于内禀的拓扑保护,高质量的网络结构导电薄膜对酸性、氧化性、紫外光照、热处理和机械弯折等各种苛刻环境的考验都有很强的抵抗能力。这些优异的性能使拓扑绝缘体纳米结构在新型光电器件和纳电子器件应用中具有很大潜力。相关工作发表Adv. Mater. 2013, 25, 5959–5964

相关工作得到了国家科技部重大科学研究计划和国家自然科学基金的资助。