大尺寸二维β-Cu2S可以实现常温相变

材料的维度对其基本性能有重要影响,近年有研究表明,即使相同的化学组成但维度不同的材料,它们的性质也可能有显著的差别。比如,许多的单层或少层二维材料(石墨烯,过渡金属硫族化物等)展示了与体材料明显不同的物理性质。而相变材料在信息存储、显微技术等方面有重要应用。Cu2-xS作为一种多相材料被广泛研究,比如CuS和Cu2S。其中,体材料Cu2S随着温度的变化,会呈现三种相:α(>425 oC),β(105-425 oC),γ(<105 oC)。在这三种相中,β-Cu2S因为具有固液共存行为而特别具有研究价值。作为一种特殊的二维材料,β-Cu2S晶胞显示出独特的固相-液相堆积,晶体中S原子形成了固定的类似石墨烯六角结构,而Cu原子则在S原子层中或在层层之间,并且呈现具有液体离子迁移特性。但是β-Cu2S体材料在常温下是不稳定的(相变温度是105 oC),这就很大程度限制了其实际应用。

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最近,中国科学院半导体研究所李京波研究员和魏钟鸣研究员领导的团队,与中国科学院化学研究所/天津大学胡文平研究员、美国再生能源国家实验室汪林望博士的研究组合作,采用一种创新的超快降温化学气相沉积法成功获得了高质量、大尺寸的二维β-Cu2S纳米片。同时,他们还系统探索了材料的生长条件,通过调控生长过程中硫的含量,合成出了Cu2-xS-Cu2S复合材料以及CuS单晶。通过Raman和TEM等表征,这种二维β-Cu2S纳米片具有很高的结晶度。通过测量不同低温下的XRD,发现这种纳米片由到γ-Cu2S的相变温度是258 K,这比体材料的相变温度(378 K)低了120 K。低温Raman和电导率测试都表明这种材料在258 K附近发生了突变,与XRD结果相符合,进一步确认了该相变温度值。他们还用分子动力学方法计算了这种材料的稳定性,结果表明这种二维结构的β-Cu2S能在室温下存在,这也与实验数据符合的很好。该研究显示了二维β-Cu2S在相变材料、未来信息存储等方面的潜在应用。相关论文近期在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201602701)上.。