Nature Chemistry發(fā)表劉忠范-彭海琳課題組在拓?fù)浣^緣體柔性透明導(dǎo)電薄膜方面的研究進(jìn)展
時(shí)間：2021-04-06 17:08:03學(xué)院：化學(xué)與分子工程學(xué)院學(xué)校：北京大學(xué)
???? 拓?fù)浣^緣體是一種全新的量子功能材料，其塊材內(nèi)部是有帶隙的絕緣態(tài)，表面或邊界存在無(wú)能隙的金屬態(tài)，表現(xiàn)為無(wú)質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子。因拓?fù)浔Ｗo(hù)，表面態(tài)形成的二維電子氣非常穩(wěn)定，基本不受雜質(zhì)與無(wú)序的影響，在新原理納電子器件、自旋器件、量子器件、清潔能源和催化等方面有廣泛的應(yīng)用前景。拓?fù)浣^緣體(如Bi2Se3，Bi2Te3，Sb2Te3）納米薄片是一種新型準(zhǔn)二維晶體，它獨(dú)特的二維層狀結(jié)構(gòu)和拓?fù)浔Ｗo(hù)的表面金屬態(tài)顯示出許多優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)。北京大學(xué)納米化學(xué)研究中心劉忠范/彭海琳課題組提出和實(shí)現(xiàn)了利用“范德華外延”法生長(zhǎng)的拓?fù)浣^緣體納米薄片制作柔性透明導(dǎo)電薄膜的思想。率先在柔性透明絕緣的云母襯底上氣相外延生長(zhǎng)出大面積高質(zhì)量的Bi2Se3納米薄片，利用同步輻射角分辨光電子能譜（ARPES）直接觀察到所制備Bi2Se3納米結(jié)構(gòu)的狄拉克錐形拓?fù)浔砻鎽B(tài)，并發(fā)現(xiàn)基于拓?fù)浣^緣體納米結(jié)構(gòu)的透明柔性導(dǎo)電薄膜有著寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的透光性（尤其是近紅外區(qū)）、高導(dǎo)電性、很好的抗擾動(dòng)能力、和出色的柔性。該工作表明，拓?fù)浣^緣體的獨(dú)特光學(xué)、電學(xué)和機(jī)械性質(zhì)使得這類新型透明柔性光電元件的生產(chǎn)制造成為可能，將帶來(lái)更具價(jià)值的光電子和納電子學(xué)應(yīng)用。這一結(jié)果于2012年2月26日以Article的形式在《自然》雜志子刊Nature Chemistry發(fā)表：H. Peng, Z. F. Liu, et al., Topological Insulator Nanostructures for Near-infrared Transparent Flexible electrodes, doi:10.1038/nchem.1277. 該工作剛在線發(fā)表，美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的新聞媒介就進(jìn)行了采訪報(bào)道。以上工作的ARPES實(shí)驗(yàn)合作者包括斯坦福大學(xué)的沈志勛教授和牛津大學(xué)的陳宇林教授。作為北京大學(xué)的客座教授，沈志勛教授是全球著名能源與材料權(quán)威專家、美國(guó)SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家、斯坦福大學(xué)材料與能源科學(xué)研究所所長(zhǎng)、2009年度美國(guó)能源部勞倫斯獎(jiǎng)獲得者。
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????? 劉忠范-彭海琳課題組發(fā)現(xiàn)“范德華外延”法在制備新型的二維層狀材料時(shí)具有普適性。在前期工作中，他們提出了通過(guò)“范德華外延技術(shù)”生長(zhǎng)雙層AB 堆垛石墨烯，發(fā)展遠(yuǎn)程催化的方法，打破了銅箔上石墨烯低壓CVD生長(zhǎng)過(guò)程中的“自限制效應(yīng)”，首次實(shí)現(xiàn)了AB 堆垛雙層石墨烯的大面積外延生長(zhǎng)，為規(guī)模制備雙層石墨烯基納電子和光電器件提供了材料基礎(chǔ) (Nano Lett. 2011, 11, 1106)。他們還利用“范德華外延”法，制備了石墨烯/拓?fù)浣^緣體二維納米異質(zhì)結(jié)構(gòu) (Nano Lett. 2010, 10, 2870)。
????? 該課題組還與斯坦福大學(xué)崔屹課題組合作，提出了“拓?fù)浣^緣體納米結(jié)構(gòu)和器件研究”的研究思路，發(fā)現(xiàn)構(gòu)筑具有大的比表面積的納米結(jié)構(gòu)可以有效降低體態(tài)載流子的貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了拓?fù)浣^緣體（Bi2Se3, Bi2Te3）納米線、納米帶和納米薄片的控制生長(zhǎng)，并系統(tǒng)研究了拓?fù)浣^緣體納米結(jié)構(gòu)的量子輸運(yùn)和柵壓調(diào)控性質(zhì)。他們利用氣-液-固生長(zhǎng)機(jī)制，制備了高質(zhì)量的拓?fù)浣^緣體納米帶，首次發(fā)現(xiàn)拓?fù)浣^緣體Bi2Se3表面態(tài)的Aharonov-Bohm (AB)量子干涉效應(yīng)（Nature Materials 2010, 9, 225)，證明了拓?fù)浣^緣體中能產(chǎn)生AB效應(yīng)的拓?fù)浔砻鎽B(tài)電子波的存在。同時(shí)，通過(guò)氣-固生長(zhǎng)機(jī)制，在Si/SiO2基底上氣相沉積生長(zhǎng)得到了高質(zhì)量拓?fù)浣^緣體Bi2Se3和Bi2Te3少層納米薄片（厚度僅為3－6nm），并用高k值介電層Al2O3作頂柵，利用柵電壓成功調(diào)控了拓?fù)浣^緣體的化學(xué)勢(shì)（Nano Lett. 2010, 10, 2245）。
????? 該課題組還與斯坦福大學(xué)崔屹課題組合作，提出了“拓?fù)浣^緣體納米結(jié)構(gòu)和器件研究”的研究思路，發(fā)現(xiàn)構(gòu)筑具有大的比表面積的納米結(jié)構(gòu)可以有效降低體態(tài)載流子的貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了拓?fù)浣^緣體（Bi2Se3, Bi2Te3）納米線、納米帶和納米薄片的控制生長(zhǎng)，并系統(tǒng)研究了拓?fù)浣^緣體納米結(jié)構(gòu)的量子輸運(yùn)和柵壓調(diào)控性質(zhì)。他們利用氣-液-固生長(zhǎng)機(jī)制，制備了高質(zhì)量的拓?fù)浣^緣體納米帶，首次發(fā)現(xiàn)拓?fù)浣^緣體Bi2Se3表面態(tài)的Aharonov-Bohm (AB)量子干涉效應(yīng)（Nature Materials 2010, 9, 225)，證明了拓?fù)浣^緣體中能產(chǎn)生AB效應(yīng)的拓?fù)浔砻鎽B(tài)電子波的存在。同時(shí)，通過(guò)氣-固生長(zhǎng)機(jī)制，在Si/SiO2基底上氣相沉積生長(zhǎng)得到了高質(zhì)量拓?fù)浣^緣體Bi2Se3和Bi2Te3少層納米薄片（厚度僅為3－6nm），并用高k值介電層Al2O3作頂柵，利用柵電壓成功調(diào)控了拓?fù)浣^緣體的化學(xué)勢(shì)（Nano Lett. 2010, 10, 2245）。
????? 相關(guān)工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和教育部人才基金的資助。
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