错层化合物少层材料的制备及其异质结性能的研究

The size effects (e.g. such as quantum confinement and symmetry breaking) of atomically-thick two-dimensional materials (TDM) would result in unique fundamental properties, which are different from those of bulk materials. Using van der Waals stacking, different TDM can be assembled into novel artificial compounds, i.e. van der Waals heterostructures(VDWH), which can realize novel physic phenomena. So the discovery of new TDM is not only important for extending two-dimensional physics (e.g. Kosterlitz-Thouless transitions) , but also can provide more component and imagination for VDWH. Misfit layered crystals are consisted of two different slabs. Herein, we will prepare the VDWH from the bulk misfit layered crystals, such as (MQ)(TQ2) (M =Sn, Bi and etc; T=Ta, Nb and etc, Q = S, Se, Te), and study their corresponding properties (e.g. phonon and electron) on the VDWH. This top-down method for VDWH is quite different from the traditional bottom-up method, which is challenging to get uniform VDHMs with more than four layers. The exfoliation of bulk misfit layered crystal can provide a new opinion for preparing VDWH, which can achieve uniform VDHMs with more than four layers. This proposal will extend the families of TDM greatly. The heterostructural properties study will realize the new physic phenomena and promote the fundamental research.

原子层厚的二维材料及其构筑的范德华异质结，因量子限域、对称性破缺等效应，常表现出与块体完全不同的物理性能。开发新的原子层厚二维材料不仅对新物理机制的发现有重要意义，还为范德华异质结的构筑增加了想象力。错层化合物是由不同组分的层交互堆叠而成的二维晶态材料，其本质是一种异质结块状晶体。本项目致力于新型二维材料的开发，选取的错层化合物(MQ)(TQ2)（M = Sn、Bi等，T = Ta、Nb等，Q = S、Se、Te）具有丰富的性能，如超导、半金属、磁性等。其晶体的生长和少层材料top-down的剥离将会提供一种全新且简单的范德华异质结制备手段，与传统逐层构筑的范德华异质结层数难以大于4且质量难以重复的情况不同，该手段可提供一类层数不受限制，且质量重复性好、界面干净、结晶度高的范德华异质结。对该异质结性能如电子转移和声子特性的研究，有利于发现新的物理机理，厘清异质结构造和性能关系。

本项目优化了错层结构晶体PbTiS3和SnTiS3的生长和调控，开发了无溶剂规模化的错层晶体剥离方法，利用添加剂氧化石墨烯与结构中金属的强相互作用，在研磨的剪切力下，将错层结构块状晶体制备成大量薄层或少层状态的具有范德华异质结结构的二维材料；进一步地将这些范德华异质结材料应用于二次电池电极材料中，充分结合范德华异质结中各个组分层的优势，如SnS的高比容量以及TiS2半金属性等，使得目标材料展现出良好的锂电负极电化学性能；在此过程中，我们用原位X射线粉末衍射结合理论计算深入地研究了相关的电化学储能机理，揭示了材料的充放电机理为合金-转换机制；此外，在二维异质结工作的基础上，我们还开发了二维/三维异质结的材料，利用其增强的内建电场作用，极大的增加了异质结作为电极材料的电化学性能。.项目通过简便且原子利用率高的合成方法，开发新型的固体剥离手段，制备出具有范德华异质结的电极材料，目标材料均表现出了优异的电化学储能性质，具有重要的现实和战略意义。本项目资助下的工作取得了将错层结构的晶态材料应用于电化学储能的开创性成果。.发表SCI源期刊论文15篇，其中在影响因子大于4的国际主流学术刊物上发表13篇研究论文，大于10的有2篇 (Energy Environ. Mater., 2020, 3, 535-540和Small, 2021, 18, 2104295）。申请专利3件，其中1件已授权。参加国际、国内会议7人次。在本项目的部分资助下，博士研究生在读1名，硕士研究生在读1名，硕士研究生毕业3名。.总体上，项目研究取得了良好的成果，已超额完成项目的研究目标。