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工学院张艳锋研究员课题组在过渡金属硫属化合物层间异质结构研究方面取得新进展

2016-11-10  2657

材料科学领域的国际权威杂志《Advanced Materials》近日在线刊发了工学院材料科学与工程系张艳锋研究员课题组的研究论文“Temperature-Mediated Selective Growth of MoS2/WS2 and WS2/MoS2 Vertical Stacks on Au Foils for Direct Photocatalytic Applications”(DOI: 10.1002/adma.201603174),报道了该课题组在二硫化钼/二硫化钨及二硫化钨/二硫化钼层间异质结构的可控制备和光催化析氢应用方面所取得的最新研究成果。

半导体性过渡金属硫属化合物的层间异质结构(例如MoS2/WS2)是一类典型的II型半导体,导带和价带分别位于不同层的材料上。光激发条件下,电子和空穴分别转移到不同的硫属化合物上,进而可以实现电子-空穴对的有效分离。这种异质结构在光催化析氢方面具有潜在的应用价值。然而目前所报道的此类异质结构的构筑主要是通过机械剥离及逐层转移的方法。然而,逐层转移的方法不能避免界面的污染问题。同时在不同硫属化合物堆垛角度的精确控制、避免不同元素的互混,以及批量制备等方面存在极大的挑战。现有一步化学气相沉积方法所制备的过渡金属硫属化合物层间异质结构中,不同元素之间极易发生互混和掺杂,因为无法获得本征的异质结构。


MoS2/WS2和WS2/MoS2层间异质结构的生长示意图、扫描隧道显微谱及其光催化析氢极化曲线

张艳锋研究员课题组基于前期在金属基底上硫属化合物的可控制备和精确表征方面的系统研究工作(ACS Nano 2014, 8, 10196; ACS Nano 2015, 9, 4017; Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 842; Nano Res. 2015, 8, 2881; Adv. Mater. 2015, 27, 7086; Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1600459; Adv. Mater. Inter. 2016, 3, 1600332; ACS Nano 2016, 10, 3461),选用两步化学气相沉积的生长方法,通过对于生长温度和生长顺序的调控,在金箔基底上实现了MoS2/WS2和WS2/MoS2层间异质结构的选择性可控构筑。两步化学气相沉积方法的选择有效避免了不同过渡金属元素(钼和钨)之间的互混和掺杂,直接获得了更加本征的、高质量的异质结构。高分辨透射电子显微镜表征(HR-TEM)结果显示,MoS2/WS2的异质结构中,A-A堆垛的形式占主导;WS2/MoS2的异质结构中,A-B堆垛的形式占优。更有趣的是,这两种不同堆垛顺序的异质结构在光催化析氢方面显示出了截然不同的效果。光照下MoS2/WS2的析氢效率比单一材料明显增强,而WS2/MoS2的析氢效率则明显较低。分析认为,II型半导体的能带结构决定了电子和空穴分别富集在MoS2和WS2上,当MoS2位于上层并与电解液接触时,可以提供充足的电子进而增强析氢效果。此外,利用两步化学气相沉积方法制备的MoS2/WS2和WS2/MoS2层间异质结构,层与层之间具有非常强的相互作用,在层间激子激化和激子寿命研究方面具有潜在的应用价值。

该工作得到了科技部国家重点研发计划(2016YFA0200103)、“973”量子调控计划(2012CB921404),国家自然科学基金委重大项目和面上项目(51290272, 51472008)等的资助。