近年来, 二维材料特别是二维过渡金属硫属化合物材料作为一个新兴研究领域引起了人们极大的兴趣, 它们也被认为是基于石墨烯电子器件的补充材料. 过渡金属硫属化合物之所以能引起人们强烈的兴趣, 在于它们奇特的性质以及其在催化, 能量存贮, 电子, 光电等领域的广泛应用. 自2007年开始, 双电层离子液体晶体管技术被广泛的应用于有机和无机材料包括过渡金属硫属化合物材料以修饰或者调控这类材料的电性质. 基于这种双电层晶体管技术, 材料的迁移率, 操作电压等被进一步改善, 绝缘-金属相变, 超导甚至是铁磁性质也被实现. 本工作将综述双电层离子液体晶体管技术对二维材料的调控性能和简要展望其今后的发展方向.

首次研究了拓扑绝缘体Bi₂Se₃二维晶体对其表面吸附的罗丹明6G分子的荧光猝灭效应, 证明薄层Bi₂Se₃可以有效猝灭罗丹明6G分子的荧光, 且随Bi₂Se₃二维晶体的厚度从单层增加到8层, 荧光猝灭效应增强, 并初步探讨了其荧光猝灭机理.

利用客体插层剂原位插层到二维层状材料, 不仅能够在原子尺度上实现对材料电子结构和本征物理性质的调控, 提高材料的载流子浓度、迁移率、磁学、光学和热学等物理性质, 而且还有望拓展其在光电子器件、能源存储与转化以及光电催化等方面的应用. 近年来, 探索合适的方法制备具有不同类型和功能的二维插层新结构已逐渐成为材料科学、物理、化学等领域的研究热点. 由于独特的电子结构和优异的性能, 二维层状过渡金属氧族化合物材料作为插层主体的插层结构受到了研究人员的广泛关注. 本文选取过渡金属氧族化合物为对象, 综述了不同种类插层剂原位插层合成方法(如碱金属插层、非碱金属原子插层、聚合物插层、有机小分子插层、还原氧化石墨烯插层), 提出了通过系列方法影响层间作用力以及利用晶体各向异性等工艺来实现新型插层结构的原位合成策略, 并展望了新型插层材料在电、磁、光、热、锂电、催化等众多领域的潜在应用前景.

金属衬底上单层MoS₂的可控批量制备是探索其微观形貌、新奇物理化学特性以及潜在应用的重要前提. 最近, 我们利用低压化学气相沉积的方法, 在多晶金箔上实现了高质量、大面积/大批量、畴区尺寸可调(从几百纳米到几十微米)单层MoS₂的可控制备; 利用低能电子显微/衍射实现了直接生长的单层MoS₂畴区取向和畴区边界的原位识别; 利用金箔上合成的纳米尺寸MoS₂作为电催化析氢反应的催化剂, 实现了高效的析氢效果(塔菲尔斜率约61 mV/dec, 交换电流密度约38.1 μA/cm²). 本文将以这些研究成果为主线, 系统地阐述金箔上单层MoS₂的可控制备和转移、畴区的原位识别以及在电催化析氢反应中的应用, 并对该领域的未来发展趋势和所面临的挑战进行简要的展望.

二维过渡金属硫族化合物(TMDs)是继石墨烯纳米材料发展之后一类新型的二维纳米材料. 由于其特殊的物理化学性质, TMDs二维纳米材料在能源、光电器件、催化反应等多个领域引起了人们广泛的研究兴趣. 近年来这类材料在纳米生物医学方面也得到人们广泛的关注. 这篇综述简单介绍TMDs二维层状纳米材料的制备、表面修饰、生物成像、肿瘤治疗和毒理学研究, 并对二维TMDs纳米材料未来在生物医学领域的发展做出展望.

二维晶体材料所独有的二维平面结构赋予了这类材料诸多独特的性质. 近年来围绕二维过渡金属硫族化合物的相关研究发展迅速. 本文以二维MoS₂、WS₂为代表概述了利用化学气相沉积法合成过渡金属硫族化合物二维晶体的研究进展, 阐述了基本合成策略, 讨论了主要影响因素, 归纳了以MoS₂、WS₂为结构基元的二维合金及异质结构的合成方法, 最后阐明了利用化学气相沉积法合成二维晶体存在的主要问题并展望了这一领域的发展前景.

单层二硫化钼是继石墨烯后的一种新型二维材料. 它是一种直接带隙半导体, 具有优异的光电特性, 从而受到人们的广泛关注. 之前的研究报道过单层二硫化钼在氩气中退火后可以提升其A激子峰的荧光强度, 但我们发现, 空气中退火较氩气退火效果更为明显. 本文重点研究了在空气中退火对二硫化钼的荧光特性的影响. 不同条件下制备的单层二硫化钼样品, 经过在空气中退火处理后, 荧光峰位均发生了蓝移, 荧光强度提升了一个数量级. 我们认为, 这是由于空气退火造成二硫化钼缺陷的形成, 大量氧气分子被缺陷束缚并发生电荷转移. 氧气分子充当受主的角色, 起着P型掺杂的作用. 电荷的抽取造成二硫化钼的负电激子减少, 中性激子增多, 提升了其荧光量子效率. 我们在对照实验中发现, NH₃吸附在二硫化钼表面时, 荧光强度下降, 峰位红移, 这是由于NH₃分子充当施主的角色, 造成负电激子增多, 中性激子减少. 本文为提高单层二硫化钼的荧光量子效率提供了一种简单有效的方法.

化学剥离的硫化钨二维层状材料在经过紫外臭氧处理后用作有机太阳能电池的空穴传输层, 可以显著提高电池器件的光电转化效率至8.37%; 作为空穴传输层, 硫化钨二维层状材料可以与经典的空穴传输材料PEDOT:PSS相媲美. 利用X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、原子力显微镜(AFM)对硫化钨的结构和形貌进行分析. 结果表明, 紫外臭氧处理过后, 氧原子能填充硫化钨因锂插层剥离而产生的硫空位, 减少它的缺陷, 并且使其部分被氧化, 从而改善硫化钨的电学性能.

作为一类重要的二维材料, 二维有序多孔薄膜受到人们的广泛关注. 气液界面胶体球刻蚀法是近些年发展起来的一种以漂浮在液面上的单层胶体晶体为模板来制备二维有序纳米结构的方法, 具有简单、高效、重现性好、适用范围广以及结构参数易调变等优点. 近年来, 我们课题组利用气液界面胶体球刻蚀法实现了包括多种无机物纳米网、纳米碗阵列和纳米网-纳米碗复合阵列在内的一系列自支撑二维有序多孔薄膜的可控制备, 考察了其二维光子晶体性质, 并研究了其在刻蚀掩膜、溶剂检测、生物传感、电阻开关器件、光电化学分解水等方面的应用. 本文在重点介绍我们课题组研究进展的同时, 也简要总结了该领域的整体发展状况并展望了该领域的今后发展方向.

原子层厚度的二维半导体材料因具有特殊的低维效应而被广泛研究. 面向光电器件应用, 需要可控调节二维半导体材料的能带结构, 包括带隙、价带/导带位置等. 合金方法是一种调控半导体能带的通用方法. 本综述介绍了近几年来二维半导体合金材料的研究进展, 包括材料的热力学稳定性、可控制备、结构表征和性质研究. 介绍的材料体系是过渡金属二硫族化物的单层合金材料, 金属元素主要是第六副族的Mo和W, 硫族元素主要是S和Se.

对石墨烯等二维材料的研究进一步引发了人们对相似结构的其他有机、金属-有机二维层状纳米材料的浓厚兴趣. 这些二维材料由于其优异的化学可剪裁性而受到关注, 预期未来在电子器件、催化和小分子分离等方面具有广泛的用途. 这篇综述系统地介绍了目前制备有机基二维材料的自上而下和自下而上的两大类方法, 总结了有机基二维材料在生物识别、小分子分离和纯化以及电学方面的应用, 最后讨论了有机基二维材料目前在制备和性质改进方面面临的问题和未来可能发展的研究方向.

声子辅助的上转换荧光是固体激光制冷效应的基础. 激光制冷具有体积小、效率高、无振动干扰、无需制冷剂等优势而具有重要应用价值, 探索更多可以实现激光制冷效应的材料是相关领域的重要研究内容. 二维单层过渡金属硫属半导体化合物是直接带隙荧光材料, 其完美的晶格结构、辐射光子提取效率高等特征使其有望成为一种新型激光制冷材料. 以MoSe₂和WSe₂为例, 本文研究了不同波长激发下样品的上转换荧光, 并通过激光功率依赖性实验和温度依赖性实验证实了该上转换荧光过程的发光机制为声子辅助过程.