Small Structures:剥离各向异性的过渡金属碳化物

1、研究背景

溶液辅助的液相超声剥离法,以其经济便易、高效可量产的特点被广泛应用于二维材料的合成。长期以来,该方法要求被剥离的块体材料具有层状结构,即层内原子由强的化学键作用力结合,而层与层之间由弱的范德华力结合。在超声波的作用下,弱的层间作用力相较于强的层内作用力优先被打破,导致层状结构从块体上剥离,从而得到二维材料。然而,该方法对块体材料结构的要求,限制了非层状块体被剥离为二维材料的途径以及非层状二维材料性能的研究。因此,如何利用液相超声剥离法获得非层状块体材料的二维结构,拓宽非层状二维材料的合成方法显得尤为重要。

2、文章概况与结论

兰州大学张浩力教授课题组提出了通过液相超声剥离获得非层状过渡金属碳化物二维材料的方法。研究人员发现,组成非层状块体材料的原子,不同晶体面之间的结合强度存在差异,宏观体现为块体材料的硬度各向异性。经过对TiC晶体表面能的计算,发现(110)具有最低的表面能,意味着打破(110)晶面需要的能量最低。研究人员通过优化剥离条件,得到了过渡金属碳化物分散液。利用多种表征手段证明了二维过渡金属碳化物的成功制备。由高分辨透射和选取衍射图谱,确定了二维TiC材料的剥离面为(110)面,与计算结果相符。研究了二维过渡金属碳化物的非线性光学性质。二维TiC纳米片做为锁模光纤激光器的饱和吸收体,实现了在2 μm波长范围内稳定的三阶谐波锁模应用。

该工作发展了一种液相剥离法获得非层状二维材料的新思路,有潜力发展为一种通用的合成手段。所得新二维材料在高效锁模应用中的成功,丰富了光纤激光器饱和吸收体的选择,也激发了人们对寻找新型纳米材料作为新一代非线性光调制器的热情。

3.图文导读

图1. 液相超声剥离法制备二维过渡金属碳化物示意图。
图2. TiC纳米片结构表征。a) 低倍透射电镜图;b) 高分辨投射电镜图(插图为选取衍射图);c-g) 透射电镜元素分析图谱;h) 原子隧道显微镜图和i-j) 纳米片高度信息。
图3. a) 基于二维TiC饱和吸收体在2 μm区域的饱和吸收特性(插图显示了涂在金镜上的TiC纳米薄片的轮廓)。b) TiC锁模Tm3+光纤激光器的实验设置。SMF: 单模光纤;LD: 激光二极管;DCF: 色散补偿纤维;GM: 金镜。c) 典型的谐波锁模脉冲序列;d) 单脉冲;e) 射频频谱和f) TiC锁模Tm3+光纤激光器的激光频谱;e) 的插图显示了600 MHz范围内的射频频谱。

4、作者简介

张浩力,1994年于兰州大学化学系有机化学专业获得学士学位,1999年经兰州大学化学系与北京大学化学与分子工程学院联合培养获得理学博士学位,1999年和2002年先后在英国利兹大学与牛津大学从事博士后研究。

张浩力教授主要研究方向为新型有机电子材料与光学材料的设计、合成与器件制备。在Sci. Adv.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.Adv. Mater. Adv.等学术杂志上发表SCI论文250余篇,论文引用超过9000次,H因子47。先后有2篇论文入选“中国百篇最具影响国际学术论文”,多篇论文被国际学术刊物与网站作为研究亮点报道。

张浩力教授曾荣获亚洲化学会“Asian Rising Stars”、“甘肃省自然科学一等奖”、“中国侨界(创新人才)贡献奖”等奖项。2015年获自然科学基金委杰出青年基金资助,2016年入选科技部科技创新人才推进计划,2018年入选“万人计划”科技创新领军人才。现为英国皇家化学会会士(FRSC)、中国化学会纳米化学专业委员会副秘书长、甘肃省化学会青年化学工作委员会副主任委员、西北五省电镜学会理事,Chem. Soc. Rev.、《中国化学快报》、《物理化学》编委,美国阿拉巴马大学兼职教授,享受国务院政府特殊津贴。

论文信息:

Solvent-Assisted Anisotropic Cleavage of Transition Metal Carbide into 2D Nanoflakes

Chen-Xia Hu, Zhen Tian, Qi Xiao, Zhen-Tong Zhu, Xiang-Yang Li, Guan-Hua Dun, Hao-Ran Wu, Yu-Long Tang*, Qiang Wang*, Hao-Li Zhang*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100039

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100039