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“自插層材料的發(fā)展為新型功能材料的研究打開(kāi)了新方向，有望推動(dòng)自插層材料在能源存儲(chǔ)、催化及電子器件等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。”北京大學(xué)教授趙曉續(xù)表示。
近日，他和團(tuán)隊(duì)打造出一種自插層材料，展現(xiàn)出良好可調(diào)控性，其潛在應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)領(lǐng)域：
在能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換方面，自插層材料因其高導(dǎo)電性和優(yōu)異的離子擴(kuò)散特性，有望作為鋰離子電池和鈉離子電池的電極材料。
研究表明，這些材料有望提升電池的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性。然而，尚需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以確保其在實(shí)際電池應(yīng)用中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性。
在催化應(yīng)用方面，自插層材料在催化反應(yīng)中展現(xiàn)出優(yōu)異性能，能被用于氫析出反應(yīng)和有機(jī)污染物的降解。
不過(guò)，針對(duì)其實(shí)際催化效率和穩(wěn)定性，仍需在工業(yè)環(huán)境中開(kāi)展進(jìn)一步的研究和優(yōu)化。
在電子和光電子器件應(yīng)用方面，自插層材料可以作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的活性層，理論上能實(shí)現(xiàn)超低功耗操作。
同時(shí)，仍然需要解決接觸電阻、界面特性等問(wèn)題，以確保其性能與傳統(tǒng)材料相當(dāng)。
在自旋電子學(xué)方面，可用于自旋閥、自旋傳感器和磁性存儲(chǔ)器。由于自插層材料可能展現(xiàn)出鐵磁性，因此可被用于自旋電子學(xué)器件的開(kāi)發(fā)。同時(shí)，需要解決控制和穩(wěn)定自旋態(tài)的問(wèn)題。
緣起：“運(yùn)氣不好，導(dǎo)致樣品制備錯(cuò)誤”
據(jù)介紹，本次課題來(lái)源于一個(gè)很偶然的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)趙曉續(xù)的目標(biāo)是想研究溫度調(diào)控單層 TaS? 體系中不同電荷密度波。
但是那天運(yùn)氣不好樣品制備錯(cuò)誤——做成了雙層 TaS?。于是他想著既然樣品已經(jīng)制備完畢，那就試一下原本計(jì)劃開(kāi)展的原位實(shí)驗(yàn)。
沒(méi)想到在雙層 TaS? 體系中，原位加熱竟然可以直接把 TaS? 轉(zhuǎn)化成自插層 ic-2D Ta1+xS?。
基于這個(gè)發(fā)現(xiàn)，他和團(tuán)隊(duì)不斷地重復(fù)雙層 TaS? 及其他材料在不同加熱條件下的原位原子動(dòng)力學(xué)。
后續(xù)實(shí)驗(yàn)也都很成功，實(shí)驗(yàn)做完之后他們找到北京大學(xué)陳基教授幫忙在理論方面給予指導(dǎo)。
理論結(jié)果也很快驗(yàn)證了本次實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的合理性，即通過(guò)簡(jiǎn)單的加熱方法就可以催生出新的 ic-2D 自插層材料體系。
趙曉續(xù)表示這個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)具有很好的指導(dǎo)意義，因?yàn)閭鹘y(tǒng)自插層材料的制備異常困難，無(wú)論是厚度、晶型、晶疇等序參量都很難調(diào)控。
而這個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)證明：其實(shí)通過(guò)簡(jiǎn)單的一步法退火，就可以將二維材料轉(zhuǎn)化成超薄自插層低維材料。
傳統(tǒng)二維材料生長(zhǎng)工藝已經(jīng)非常成熟，可以輕易地得到高質(zhì)量單晶薄膜。因此可以使用容易得到的高質(zhì)量前驅(qū)體，進(jìn)行簡(jiǎn)單的退火相變，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量自插層薄膜的制備。
Shengqiang Wu 是第一作者，趙曉續(xù)擔(dān)任通訊作者。
圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：JACS）
評(píng)審專家表示，Ic-2D 代表著一類(lèi)新的功能性超薄低維材料，能夠揭示常規(guī)的拓?fù)湎唷?/span>
在這篇論文中，作者們通過(guò)原位掃描透射電子顯微鏡在原子級(jí)別上，將多個(gè)過(guò)渡金屬硫族化合物轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的 ic-2D 結(jié)構(gòu)的過(guò)程加以可視化。
其中，觀察原生原子在外部能量驅(qū)動(dòng)下以逐個(gè)原子的方式插層到范德華間隙中，令人印象十分深刻。
值得注意的是，插層物的濃度和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)取決于退火條件。審稿人認(rèn)為如此精確的結(jié)構(gòu)控制為二維系統(tǒng)中的性能調(diào)控提供了一種新方法。
盡管自插層材料在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，但目前的潛在應(yīng)用與實(shí)際應(yīng)用之間仍存在距離。
總的來(lái)說(shuō)，這些材料在合成、性能優(yōu)化、器件集成和長(zhǎng)期穩(wěn)定性等方面都面臨挑戰(zhàn)。
未來(lái)的研究需要集中在克服這些技術(shù)障礙，以推動(dòng)自插層材料從實(shí)驗(yàn)室研究向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。
通過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)和技術(shù)創(chuàng)新，課題組期待自插層材料能在能源、電子和環(huán)境等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。
首先，課題組將針對(duì)材料合成與材料結(jié)構(gòu)開(kāi)展優(yōu)化。自插層材料（如 TaS?）目前可以通過(guò)分子束外延和化學(xué)氣相沉積方法在高金屬化學(xué)勢(shì)下生長(zhǎng)。
這一方法能夠保證材料的質(zhì)量和均勻性，后續(xù)研究中可以進(jìn)一步優(yōu)化生長(zhǎng)條件以實(shí)現(xiàn)更大面積的高質(zhì)量自插層材料。
同時(shí)，可以繼續(xù)探索不同的金屬和硫化物組合，開(kāi)發(fā)出具有新型物理特性和應(yīng)用潛力的自插層材料庫(kù)（如 VxSy 和 InxSey），這將拓展自插層材料的研究范圍和應(yīng)用領(lǐng)域。
其次，課題組將在插層機(jī)理研究中，通過(guò)填充八面體空位，讓金屬原子能夠自插入到結(jié)構(gòu)中。
具體來(lái)說(shuō)，可以采用原位實(shí)驗(yàn)觀察金屬原子的插層行為，運(yùn)用密度泛函理論計(jì)算深入探討自插層過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)機(jī)制，揭示插層金屬原子的電子結(jié)構(gòu)及其相互作用。
再次，課題組將研究自旋極化效應(yīng)和電荷轉(zhuǎn)移對(duì)材料磁性的影響。
即通過(guò)探索不同插層濃度對(duì)自旋態(tài)和導(dǎo)電性質(zhì)的影響，尋找可能的自旋電子學(xué)應(yīng)用。
最后，課題組認(rèn)為材料的最終出口需要與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。
自插層材料的優(yōu)異導(dǎo)電性和高比表面積使其在鋰離子電池和鈉離子電池中表現(xiàn)出良好的性能。后續(xù)可探討其在電池電極中的應(yīng)用，以提高電池的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性。
趙曉續(xù)補(bǔ)充稱：“本次研究中提到插層金屬可以增強(qiáng)材料的催化活性，這為開(kāi)發(fā)高效的電催化劑提供了基礎(chǔ)。”
因此，未來(lái)研究可著重于自插層材料在電催化和光催化中的應(yīng)用。在自旋電子學(xué)方面，考慮到自插層材料具有潛在的鐵磁性，所以能為自旋電子學(xué)器件的開(kāi)發(fā)提供新的材料基礎(chǔ)。
基于此，課題組也將探討自插層材料在自旋閥和自旋傳感器中的應(yīng)用。
積極擁抱 AI，提出基于單張實(shí)驗(yàn)圖像的深度學(xué)習(xí)模型
另外，趙曉續(xù)的課題組已經(jīng)將 AI 尤其是將深度學(xué)習(xí)用于相關(guān)研究。
傳統(tǒng)的電鏡表征數(shù)據(jù)處理和分析主要依賴于專業(yè)研究人員，由于噪聲干擾和人為偏差，處理效率和準(zhǔn)確性常常受到限制。
而材料中的缺陷識(shí)別至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈儠?huì)顯著影響材料的電子、光學(xué)、化學(xué)、磁性和機(jī)械性能。
為了提高缺陷識(shí)別的精度，該團(tuán)隊(duì)提出了一種基于單張實(shí)驗(yàn)圖像的深度學(xué)習(xí)模型，利用 CycleGAN 和 U-Net 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行噪聲增強(qiáng)和缺陷識(shí)別，從而減少高昂的標(biāo)注成本。相關(guān)論文已經(jīng)發(fā)表在 Nano Letters 上。
除此之外，課題組還使用深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)單原子催化劑進(jìn)行識(shí)別，突破了人眼分辨的極限，能夠?qū)卧哟呋瘎┑母叨取⒚芏群途嚯x等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步結(jié)合 AI 技術(shù)，在圖像超分辨率、去噪、晶體結(jié)構(gòu)生成和材料性能預(yù)測(cè)等領(lǐng)域進(jìn)行更深入的探索。
參考資料：
1.Wu, S., Li, S., Meng, Y., Qiu, Z., Fu, W., Chen, J., ... & Zhao, X. (2024). In Situ Closing the van der Waals Gap of Two-Dimensional Materials. Journal of the American Chemical Society.
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