中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室郑跃教授团队在液态金属制备二维氧化物的研究方面取得新进展

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作为二维材料家族中的重要成员,二维金属氧化物由于具备丰富的表面化学性质和独特的电子结构,在电子、能源、传感器、以及催化等领域有着广泛应用。然而,传统的外延生长方法容易导致氧化物表面极化不稳定,其进一步的发展依旧面临着挑战;此外,昂贵的制备成本使其难以实现商业化大规模制造。近些年,液态金属在制备二维金属氧化物方面展现出巨大潜力。由于液态金属具有高的表面张力、优异的流动性、良好的溶解度和活跃的化学反应特性,使得其可以在二维金属氧化物的制备中充当溶剂、反应物或界面。

中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室郑跃教授团队通过利用液态金属的卡布雷拉-莫特氧化特性来获得天然的二维平面材料。作者创新地提出了基于液态金属的机械自动旋涂剥离方法,该方法能够高效地获得原子级薄、大面积、均匀平整以及高结晶质量的二维金属氧化物薄膜。

图1 基于液态金属制备二维金属氧化物的示意图

基于液态金属旋涂剥离方法制备二维金属氧化物薄膜的原理如图2所示,该工作利用旋涂加速给予液态金属一个稳定而强大的离心力,促使母体液态金属与表层氧化膜的分离。在制备过程中,表层氧化物皮肤与母体液态金属易于分离的原因是:(1)由于母体金属呈现液态,而在含氧环境下形成的表面氧化层呈现固态,固-液之间相互作用力较弱;此外,母体金属内部也存在着液-液相互吸引作用。(2)由于液态金属具有高表面张力的特性,在剥离过程中,剩余的液态金属将会迅速地聚合恢复形成球形小液滴。(3)此外,表层氧化膜与基底之间存在着分散的范德瓦尔斯作用力,使得氧化膜能够强力地附着在基底上,从而实现其与母体金属的分离。

图2旋涂剥离法制备二维金属氧化物半导体示意图

作者通过原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等表征技术对所得的样品进行了形貌学与结构学的表征,分析结果揭示了薄膜具有良好的均匀性及较高的结晶质量。基于液态金属的自旋涂剥离方法还具备一定的衬底普适性,能够有效地克服传统外延生长方法对硬质衬底或同质外延衬底的需求,有效解决了由于衬底导致的晶格失配、位错出现等局限,大幅提升了二维金属氧化物薄膜制备的灵活性和适用范围。

图3 超薄二维金属镓氧化物的形貌和结构表征

此外,液态金属的多样性为多种二维金属氧化物的制备提供了良好平台。作者还采用了液态金属铟以及液态金属锡制备获得了二维铟氧化物和锡氧化物薄膜,通过TEM和AFM证明了二维铟氧化物和二维锡氧化物同样具有较高的均一性和结晶质量,表明该液态金属旋涂剥离法的普适性与可拓展性。这一进展预示着基于液态金属制备二维材料技术在多类功能性器件中的广泛前景和潜在应用。

图4 二维金属铟氧化物的结构和化学表征

相关研究成果于2024年5月6日以封面文章“Liquid-Metal-Based Spin-Coating Exfoliation for Atomically Thin Metal Oxide Synthesis”为题发表在国际知名期刊《Nano Letters》上。该工作由中山大学独立完成,物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室郑跃教授、罗鑫教授为论文通讯作者,硕士研究生张颖怡为第一作者。上述工作得到了国家自然科学基金和广东省自然科学基金的大力支持,特别感谢广东省磁电物性分析与器件重点实验室的大力支持。

责编: 爱集微
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