高效制氢是实现氢社会的必要条件。比起昂贵的铂金,包括二硫化钼(MoS₂)在内的过渡金属二硫化物(TMD)作为从水制氢的电化学催化剂更受关注。另一方面,在半导体领域,当硅变薄到原子水平时,其特性就会发生改变,但因为只需3个原子就能表现出优异的电气特性,所以TMD是下一代半导体的有力候选材料。
图1高密度MoS₂纳米带边缘通过电化学反应产生氢的示意图(供图:九州大学)
九州大学研究生院综合理工学府博士生马宗鹏,九州大学研究生院综合理工学研究院特任副教授帕布罗·索利斯·费尔南德斯、主干教授吾乡浩树,名古屋大学研究生院工学研究科教授高桥康史、东北大学材料科学高等研究所副教授加藤俊显、筑波大学数理物质系教授冈田晋、大阪大学产业科学研究所教授末永和知、产业技术综合研究所主任研究员林永昌、京都大学能源理工学研究所教授松田一成和熊本大学研究生院先端科学研究部副教授原正大组成的研究团队,开发出了一种利用化学气相淀积方法在衬底上生长高密度MoS₂纳米带的新方法,并通过纳米级电化学测量发现,纳米带边缘的催化活性比中心高出近100倍。此外,研究团队还发现这种纳米带作为半导体器件具有优异的电气性能。该研究成果已发表在《Science Advances》上。
吾乡主干教授说,“本研究中实现的MoS₂纳米带因其极高的边缘比而有望成为催化剂,并在2030年代成为下一代半导体材料。今后,我们将继续推动更多独特的原创性研究,例如,开发高度集成的TMD等”。
该研究团队通过使用原子排列方向各异的具有各向异性表面原子排列的蓝宝石a面,并详细研究合成条件,成功合成了单向排列的高密度MoS₂纳米带。具体来说,MoS₂纳米带是以三氧化钼(MoS₃)和硫(S)为原料,通过化学气相淀积方法(CVD法)在1100℃的蓝宝石衬底上合成而来的。
通过扫描电子显微镜(SEM)、纳米带高度测量和光谱分析等证实,纳米带是单层MoS₂(3个S-Mo-S原子的厚度)。单向生长是由于蓝宝石表面各向异性原子排列的影响。
过去曾有关于合成MoS₂纳米带的报告,但因为首先要在一种特殊的衬底上制成原子阶梯,之后再沿着原子阶梯生长,所以这种方法效率不高,且纳米带的边缘结构也像锯片一样高度无序。曾在溶液合成中产生过许多缺陷。
在这项研究中,研究团队使用扫描透射电子显微镜(STEM)进行观察,证实该纳米带缺陷很少,并具有单晶MoS₂结构。研究团队还发现它的边缘相对光滑。
研究团队将取向MoS₂纳米带转移到导电石墨衬底上,并对其电化学催化活性进行了测量。在这种情况下,研究团队使用在尖端极细的玻璃管(移液管)注入电解液的扫描电化学电池显微镜(SECCM),观察了氢进化反应 (HER) 的催化活性位点。
结果表明,纳米带边缘的催化活性更高。对电流值的详细分析显示,纳米带边缘的活性几乎是中心的100倍。此外,研究团队还发现较窄的纳米带边缘/面积比更高,表明单位面积上的HER活性更高。研究还发现,发生反应的边缘电压最低。边缘比例高的纳米带适用于制氢。
为了研究其作为半导体材料的特性,研究团队在将其从蓝宝石a面转移到硅衬底后制作了超精细器件,并对其电气特性进行了评估。结果表明,尽管纳米带很薄,宽度仅为110纳米,但仍能观察到清晰的晶体管行为。电子迁移率值相当于或高于普通MoS₂薄膜的迁移率值。
使用光刻和蚀刻工艺制造如此薄的纳米带结构并不容易,即使能够制造出来,其边缘也会非常无序,因此本次研究的自组装MoS₂纳米带是极好的超薄精细通道。
将MoS₂纳米带器件冷却到极低温并进行测量时,纳米带表现为多个量子点,这种特性被称为库仑钻石,证实了MoS₂纳米带的低维性和高结晶性。它也有望成为下一代半导体的通道。
除MoS₂外,研究团队还成功制作了二硫化钨(WS₂)纳米带,并在MoS₂周围合成了WS₂异质结构纳米带。
原文:《科学新闻》
翻译:JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊:Science Advances
论文:Lattice-guided growth of dense arrays of aligned transition metal dichalcogenide nanoribbons with high catalytic reactivity
DOI:10.1126/sciadv.adr8046