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世界首个二维电子化合物诞生!

日期:2017-01-19

近日,由北卡罗来纳大学教堂山分校应用物理科学与化学助理教授Scott C. Warren带领的研究团队成功合成出世界首个二维电子化合物,将电子化合物研究正式带入了纳米时代。他们的研究成果发表在最新一期的美国化学会志上。

电子化合物是一种由阴阳离子组成的离子化合物。但在电子化合物中作为阴离子的仅仅是没有原子核的电子。在电子化合物中,电子之间相距很近且以极松弛的状态聚集在一起,形成类似气态的电子气。正是这种电子气的存在,使得电子化合物具有高电子迁移率和快速电子输运等独特的电学性能,在电子应用方面具有很大的潜力。

Warren 在接受物理学组织网站的采访时说:“层状电子化合物具有非凡的电子学特性—例如,比石墨烯大得多的导电性。在层状电子化合物的晶体结构中,大量电子在上下极板原子之间分散成厚度仅有2埃的平面。由于电子在扁平云状电子气中传导时与相邻原子的相互作用很小,因此它们的移动速度将会非常的快。”

研究人员通过研究发现,电子化合物的典型特性,也就是电子气的特性,可以在一种被称作氮化二钙(Ca2N)的层状电子化合物被合成为二维单层结构时得以保持。这是世界首个被成功合成的二维电子化合物。

Warren 说:“在研究中,厚度仅为一到几纳米的氮化二钙晶体层被分离出来。正是由于其厚度很薄,才会像石墨烯一样被称作二维材料。虽然理论计算已经验证,这种二维电子化合物材料能够在真空中稳定存在并显现出优良的电子学特性,但这种材料非常的活泼,是否能在实验室条件下合成二维氮化二钙一直以来都是个悬而未决的问题。我们的研究显示,只要在合适的化学环境之中,这种材料可以长期稳定存在,且不会对其优良电子特性产生任何影响。”

研究人员指出,由于层状电子化合物的各层之间存在很强的静电相互作用,将多层电子化合物分离为单层十分困难。另外,电子化合物很高的化学活性会使问题变得更为复杂。由于电子化合物一旦接触粘合剂便会发生分解,因此用透明胶带剥离的方法无法采用。为此,研究人员采取了液体剥离的方式,他们通过化学反应生成大量的纳米薄片悬浮在溶液中。在对30种溶剂进行测试之后,研究人员最终找到了一种溶剂,氮化二钙纳米片可在其中稳定悬浮至少一个月的时间。

实验测试显示,二维电子化合物纳米片具有比金属铝更好的导电性、相当高的透明度(厚度为10nm时的光透过率达97%)以及由其二维结构所决定的当前报道过的所有电子化合物中最大的比表面积。将二维材料的大比表面特性与电子化合物的独特电学性能相结合,研究人员预测二维电子化合物将会在未来收获更多新的发现。其潜在的应用领域包括:透光导体、电池电极、电子发射体及化学合成催化剂等。

Warren 说:“二维电子化合物最令我们感到兴奋的是其在先进电池方面的潜在应用价值,这也是当前我们与本田研究所合作的焦点所在。除此之外,它在其它方面的潜在应用也同样振奋人心,例如,透明导电薄膜。从学术研究的角度来看,此项研究开辟了一条实验合成二维电子化合物的道路,并检验了我们在以前从未考虑过的潜在应用。”

未来,研究人员计划对二维电子化合物的潜在应用价值进行更加深入的探索解决实现这些应用过程所遇到的所有实际挑战。

Warren 说:“对于二维电子化合物,我们还有许多问题需要研究。例如,我们需要采用什么方法来包裹电子化合物的表面或者将其功能化才可以使电子化合物在空气中也可以稳定存在?”(国防科技信息网)

 

http://www.dsti.net/Information/News/103019

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