单层材料的电化学调整依赖于缺陷

根据一个国际研究团队的研究表明，缺陷可以增强材料的物理，电化学，磁性，能量和催化性能，完美并不是一切。

“电子器件，如晶体管，通常由相对庞大的金属，氧化物和晶体半导体堆叠层制成，”宾夕法尼亚州立大学电气工程助理教授黄晟熙说。“我们希望用二维材料制作它们，以便它们更快，更小，更灵活。”

为此，研究人员正在研究硫化钼单原子层。他们在最近一期ACSNano上报告了他们的研究结果。

硫化钼是由一个钼原子和两个硫原子连接而成的分子。当形成2-D单层薄膜时，分子与中间的钼和顶部和底部的硫原子对齐。将这些薄膜置于各种基材上-金，单层石墨烯，六方氮化硼和二氧化铈-并照射以在晶格结构中产生缺陷。

创建二维材料不是一个完美的制造过程，并且晶格中总是存在缺陷。研究人员希望确定这些缺陷如何改变硫化钼的物理和电化学性质。辐射导致一些硫化钼从表面失去硫原子。使用这些不完美的胶片，研究人员可以看到材料是如何使用各种显微镜和光谱学改变的。

晶格缺陷的模拟允许研究人员操纵材料并产生与实验有缺陷的薄膜匹配的结构。他们发现模拟的材料特性结果与实验结果相符。

“我们发现硫缺陷改善了材料的物理特性，”黄说。“通过选择缺陷的位置和数量，我们应该能够调整材料的带结构，改善其电子功能。”

实验上，研究人员发现硫原子比钼原子多得多，因为硫在表面，而钼在中间受到保护。他们还注意到，因为有很多硫原子离开了这种材料，所以由于没有硫而导致的缺陷压倒了晶格中没有钼的任何影响。

研究不同基材如何增强或不增强二维材料的性能，研究人员发现“由于界面处的电荷转移，基板可以调节硫化钼中的电子能级。”基材的材料特性也改变了二维单层的性质。二氧化铈因为是氧化物，与其他基材不同地改变了材料的电性能。

更小，更快，更灵活的电子设备并不是调整这些2-D材料的唯一可能结果。

“如果我们拥有适量的硫空位，我们就可以加强化学过程，如从水中析出氢，”黄说。

硫化钼等材料在化学反应中用作催化剂。Huang指的是水的分裂，这是一种用于从液态水中产生气态氢和氧的过程，其中适当缺陷的硫化钼可以增强过程并减少所需的能量和成本并增加产生的氢气量。

钼是过渡金属，该原子团的其他成员也形成称为二硫化物的分子。这些包括钨，铌，锆，钛和钽，它们与硫和其他硫族化合物如硒和碲形成层。其他二硫化物可以制成2-D材料，也可以是可调的以增强其性质。

此项目的工作还包括YanChen，XiangJi，KiranAdepalli，XiLing，MildredDresselhaus，JingKong和麻省理工学院的BilgeYildiz;和KediYin，王新伟，北京大学薛建民。

中国自然科学基金，美国能源部，国际原子能机构和国家科学基金会支持这项工作。