2023年11月27日，美国普林斯顿大学Sanfeng Wu教授与Leslie M. Schoop教授团队合作在Nature Synthesis 期刊上发表了一篇题为“Surface-confined two-dimensional mass transport and crystal growth on monolayer materials”的研究成果。
在二维（2D）晶体上，超薄且均匀的金属膜可以在容易达到的温度下实现快速长距离传输。这种效应是可以普遍化的，这为探索纳米限制空间中的化学合成以及二维量子材料的器件功能提供了新的可能性，它还为尚未合成的二维材料提供了接入途径。论文通讯作者是Sanfeng Wu, Leslie M. Schoop和 Yanyu Jia；第一作者是Yanyu Jia和Fang Yuan。
在物理学、化学及工程学等多个学科领域中，二维量子材料正展现出其巨大的推动力。目前，二维晶体的研究重点主要聚焦于那些源自已知三维层状体的原子厚度晶体。例如，石墨烯的来源是石墨。获取二维晶体的常规方法涵盖了机械剥离、液体剥离以及直接生长技术，包括分子束外延、化学或物理气相沉积等。不过，值得注意的是，并不是所有二维晶体都拥有相对应的块体材料。对于那些没有块体母体的二维材料，它们的合成与研究尚处于起步阶段，但这一领域的开拓有望在量子材料与器件制造方面带来革命性的进展。
在本研究中，课题组专注于探索原子级厚度的二维晶体，以单层WTe2为例，将其放置于金属（如钯，Pd）上，并采用氮化硼（hBN）作为惰性介电材料，实现从上下两侧的全面封装。在制造流程完成后，他们将样品在约200℃的环境下加热并保持约一小时，全程利用光学显微镜进行实时监控。在这一过程中，他们意外地观察到Pd金属在WTe2表面上呈现出类似于液体流动的扩散模式，直至完全覆盖了WTe2层。考虑到Pd的熔点高达1555℃，这种在相对低温（200℃）下出现的液态似扩散现象极为罕见。通过利用原子分辨率的扫描透射电子显微镜（STEM）进行的表征，他们确认成功合成了一种新型的二维晶体化合物Pd7WTe2，并且该化合物不存在已知的块体母体。同时，该团队认识到，此类质量传输和二维化学反应并非特定于某些系统。例如，他们发现在WTe2上的镍（Ni）以及在TaTe2和MoTe2上的Pd同样展示了这一类似的特性。
图1：Long-distance anomalous mass transport of Pd atoms on monolayer WTe2.
图2：Nanoconfined crystal growth on monolayer WTe2.
图3：In-plane lattice structure of Pd7WTe2.
图4：Generalization of the unusual mass transport.
这一研究的成果为我们提供了一种新的途径，用于探索在单层晶体模板上有限二维空间内的受控化学反应。此外，它还为我们提供了一种无需密闭实验室条件即可合成超出现有范德瓦尔斯材料库的二维材料的方法。无论是在二维化学研究还是二维器件制造方面，我们都预见了广阔的未来探索空间。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-023-00442-z
