第一作者：Zhuangchai Lai,Qiyuan He, Thu Ha Tran, D. V. Maheswar Repaka
通讯作者：Kedar Hippalgaonkar，张华
第一单位：香港城市大学
DOI：10.1038/s41563-021-00971-y
研究背景
二维层状材料由于其独特的物理化学特性，并可解理出超薄单层材料，近几年一直是科学界的研究热点。除了最典型的石墨烯外，其他二维层状材料，如过渡金属硫化物（TMDs）最近几年也受到了极大的关注。尤其是具有亚稳相结构的TMDs，例如八面体相（1T）及扭曲八面体相（1T'），其电学性质多表现为半金属及金属特性，是可应用于光电子器件，催化，能源和超导中的理想材料。但因为TMDs的化学成分和晶体结构复杂多样，想要生长出结构单一的TMDs，尤其是具有纯亚稳态1T'相的TMDs依旧是一项挑战。目前常用的制备方式有化学/电化学碱金属离子嵌入方法，胶体合成，水热反应，化学气相沉积，电子束辐照，机械应变和等离子体热电子方法。然而这些方法通常只能生长出有限类型的TMDs，并且在其1T或1T'相中常混有呈现半导体特性的2H相，这为研究具有亚稳相得TMDs本征特性带来困难。
本文亮点
1. 本研究提出了一种合成亚稳态1T'相TMDs的普适方法，并成功合成出WS2,WSe2, MoS2, MoSe2, WS2xSe2(1−x)和 MoS2xSe2(1−x)。研究人员用多种表征手段验证了这些材料1T'相的存在。（合成方法详见原文章中的Methods）
2. 所有上述提到的具有1T'相得TMDs材料，都可以通过热退火的方式，转变为2H相
3. 研究人员发现1T′-WS2的超导性与其厚度有关。当材料厚度为90.1nm时，超导转变温度为8.6K，材料为单层厚度时，转变温度为5.7K。出现这种现象的原因是因为1T′-WS2具有超高本征载流子浓度和半金属特性。
图文解析
图1 WS2的晶体结构和特性。
(a) 制备的1T'-WS2晶体的SEM图像。插图：1T'-WS2晶体的光学图像。
(b) 在SEM模式下获得的1T'-WS2晶体的EDS光谱（紫色曲线）。光谱的积分区域以蓝色显示。
(c) 1T'-WS2晶体（上部）和通过退火1T'-WS2获得的2H-WS2晶体（底部）的X射线衍射图谱。
(d) 在(c)中用蓝色虚线框出的区域的XRD放大图。显示出1T'-WS2（顶部）的（200）峰及2H-WS2（底部）的（002）峰。
(e) 2H-WS2相的结构示意图。
(f) 1T'-WS2相的结构示意图。
(e), (f) 左侧：相应结构的侧视图；右侧：单层形态下的俯视图。黑线标记的区域代表WS2的单胞。
图2 1T'-WS2的结构表征。
(a) 单个1T'-WS2薄片的透射电子显微镜（TEM）图像。
(b)-(d) 从(a)中的白色圆圈标记的区域获得的SAED图像。
(e) 从1T'-WS2薄片获得的HAADF-STEM图像。
(f) (e)的过滤过的快速傅立叶变换图像。
(g) 模拟的1T'-WS2结构，其晶体取向与(f)中所示结构相同。灰球代表W原子，黄球代表S原子。
(h) 从(e)中的HAADF-STEM图像获得的快速傅里叶变换图案。
(I) 1T'-WS2薄片的暗场STEM图像。
(j–l) 1T'-WS2薄片的元素映射图像：（j）S K信号，（k）W L信号以及（l）S K和W L重叠信号。
图3 1T'-和2H-WS2的表征。
(a) 制备的1T'-WS2晶体的TGA-DSC曲线。
(b) 制备的1T'-WS2（红色），机械剥离的单层1T'-WS2（紫色），以及通过对1T'-WS2晶体进行退火获得的2H-WS2（黑色）的拉曼光谱。
(c) 1T'-WS2（顶部）和通过对1T'-WS2晶体进行退火获得的2H-WS2（底部）的高分辨XPS W 4f谱：实验（空心圆）和拟合（实线）。W 4f的去卷积峰，红色和黑色分别属于1T'和2H相。绿色和紫色曲线分别代表W 5p的去卷积峰和完整的XPS光谱拟合。
(d) 制备的1T'-WS2和2H-WS2晶体的W L3边缘EXAFS光谱的傅里叶变换图。实验数据（空心圆）和基于进化算法拟合的曲线（实线）。
图4 由1T'-WS2（90.1 nm），1T'-WSe2（71.2 nm），1T'-WS2xSe2(1-x)（x =0.796）（14.9 nm）和1T'-WS2xSe2(1-x)（x = 0.472）（50.2 nm）制成的器件构型，以及其电子传输特性测量结果。
(a) 在没有磁场下，机械剥离的1T'-WS2，1T'-WSe2和1T'-WS2xSe2(1-x)（x = 0.796和0.472）随温度变化的电阻率（ρ–T图）。插图：具有四探针配置和霍尔棒的1T'-WS2器件的光学图像（顶部），以及黑色虚线框出的区域中显示的在Tc附近的 1T'-WS2的高分辨率ρ–T图（底部）。
(b) 在(a)中显示的1T'-WS2器件在不同面外磁场（B⊥）下的ρ–T图。
(c) 在面外磁场下测得的ρ–B⊥等温线。当T> Tc时，测量温度为T = 10.0和9.0 K，当T <Tc时，测量温度为T = 8.0、7.0、6.0、5.0和4.0K。
(d) 面外临界场Bc1和Bc2与T / Tc的关系。拟合线对应于符合GL方程的上临界场。
(e) 由具有不同厚度的1T'-WS2纳米片制成的四探针器件测量出的R / R10K–T图。插图：不同厚度的1T'-WS2纳米片的两探针和四探针器件的超导转变温度。
(f) 载流子浓度与温度的关系图（n；实心黑色圆圈，左轴），以及从(a)所示的1T'-WS2器件中得到的载流子霍尔迁移率（μH；实心紫色正方形，右轴）。插图：载流子霍尔迁移率与T-3/2的关系图。红线为线性拟合结果。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-021-00971-y
张华课题组介绍
张华，1992和1995年分别获南京大学学士和硕士学位，1998年获北京大学博士学位(导师：刘忠范院士)。1999和2001年分别赴比利时鲁汶大学Prof. Frans C. De Schryver课题组和美国西北大学Prof. Chad A. Mirkin课题组从事博士后研究。2003和2005年分别在美国NanoInk 公司和新加坡生物工程与纳米技术研究院工作。2006年加入新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院任助理教授，分别于2011、2013年晋升为副教授、教授。2019年，全职加盟香港城市大学化学系，现任胡晓明讲座教授（纳米材料）。
张华教授的研究领域涵盖多个前沿交叉学科。目前的研究聚焦于纳米材料相工程（PEN）、精细多级结构的可控外延生长等；具体工作主要包括以下几个方面：超薄二维纳米材料（如金属纳米片、金属硫化物、石墨烯、金属有机骨架、共价有机框架等）、新型金属相和半导体纳米材料、新型无定形纳米材料，及其多功能纳米复合材料的制备，以及在催化、清洁能源、光电器件、纳米与生物传感、环境水污染处理等方面的应用研究。
迄今为止，张华教授已申请了74项专利（包括授权8项美国专利和1项新加坡专利），发表了500余篇学术论文。截止于2020年10月27日，基于Web of Science和谷歌学术的统计数据，张华教授的文章分别被引80,200 余次（H因子为140）和93,800余次（H因子为148）。张华教授于2020年当选欧洲科学院外籍院士 (Foreign Fellow of European Academy of Sciences)，2015年当选亚太材料学院院士 (Academician of the Asia Pacific Academy of Materials)，2014年当选英国皇家化学会会士 (Fellow of the Royal Society of Chemistry)。
张华教授所获得学术荣誉和奖项包括：入选“全球最有影响力科学思想名录（the World's Most Influential Scientific Minds）”和“高被引科学家名单”(2014年“材料科学”，2015-2019“化学”和“材料科学”；汤森路透/科睿唯安), 2014和2015年分别入选全球17和19位热门科学家榜单 (Hottest Researchers of Today，汤森路透)，荣获澳大利亚伍龙贡大学校长国际学者奖 (Vice-Chancellor's International Scholar Award，2016)，美国化学学会ACS Nano Lectureship奖 (2015), 世界文化理事会(WCC)特别表彰奖 (Special Recognition Award，2013), 希腊ONASSIA Foundation Lectureship (2013), SMALL青年创新奖 (Wiley-VCH, 2012)，南洋杰出研究奖 (2011)等。返回搜狐，查看更多