韦世强：WSe2化学剪纸

shenjingbing

过渡金属硫属化合物（MoS2、WS2、MoSe2、WSe2等）作为类石墨烯二维材料，由于具有独特的电子能带结构，吸引科学家们对其迷人的物理性质进行探索。研究表明，多层过渡金属硫属化合物（TMDs）具有大的态密度、高电子迁移率、复杂的层间堆叠形式，因而体现出从二阶非线性光学、激子-声子耦合以及自旋极化的块材态等一系列丰富的物理特性。更有趣的是，基于剪纸艺术（Kirigami）概念，在层状材料中设计出新奇并且复杂的三维结构将会为二维材料体系中发现新颖的物理性质以及应用提供新的研究平台。在二维材料方面，石墨烯剪纸结构在理论预测和实验研究两方面都进行了探索。石墨烯具备非凡的长程抗弯刚度，石墨烯剪纸结构已通过复杂的物理过程实现，这一复杂的物理过程包括利用光刻法制备图案结构、随之通过氧等离子体刻蚀不想要的石墨烯。此外，石墨烯以及某些二维材料（如GaSe）受边界控制的化学刻蚀虽然有研究结构和演示，但是只局限于单层。过渡金属硫属化合物一方面在实验上已经证实比石墨烯更加的柔软；另一方面，由于它们涉及多原子类型的非对称性三层结构（X-M-X），空间结构比石墨烯更加复杂。这类涉及多层以及具备不同堆叠形式的过渡金属硫属化合物剪纸结构的实现将更加具有挑战，因为多层结构比单层将会经历更加复杂的物理或者化学刻蚀过程。由于这些客观存在的困难和挑战，任何厚度的过渡金属硫属化合物剪纸结构在实验上都还没有实现，就连简单的单层TMDs剪纸结构也没有实现。因此，理解兼具不同层间堆叠以及与众不同微结构的多层TMD剪纸结构的形成过程依然是一个重大的挑战。

近日，威斯康星大学麦迪逊分校的金松教授课题组和中国科学技术大学的韦世强教授课题组以及莱斯大学的唐明教授课题组合作，在J. Am. Chem. Soc.上发表了题为“Chemically Derived Kirigami of WSe2”的论文，中国科学技术大学和威斯康星大学麦迪逊分校联合培养的博士蔡亮为该论文的第一作者。该研究成果报道了通过简单的化学方法，在过渡金属硫属化合物中选用WSe2作为研究事例，实现了独特的多层剪纸结构，这些复杂的剪纸结构形成的关键是化学刻蚀。作者展示了紧随着化学气相沉积生长的原位化学刻蚀，为设计具备复杂形貌的二维材料提供了新方法，这种方法可以创造出不能通过直接生长形成的新奇二维材料结构体系。作者通过使用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM），对这些WSe2 kirigami的三维体系结构进行研究，揭示其具有弯曲的凹形边界、柄状的结构以及锯齿形顶角等与众不同的结构特征，这些通过原位刻蚀形成的特征之前从未在TMDs中观察到。二次谐波成像（SHG）和微区拉曼光谱阐明了这些WSe2 kirigami结构原子层间的复杂堆叠形式，从中观察到其蚀刻行为取决于底部三层的堆叠形式。最后，他们通过捕捉随时间演化刻蚀行为的中间态，成功提出了揭示WSe2kirigami结构演化过程的刻蚀模型，理论模拟结果支持提出的刻蚀模型最本质的部分。

研究者首次通过CVD生长和原位化学刻蚀策略从实验上演示了如何形成复杂型结构的多层WSe2 kirigami。这些之前未观察到的结构特征：弯曲的凹形边界、柄状的区域以及锯齿状顶角能够用化学蚀刻模型来进行最好的解释。研究结果揭示了WSe2 kirigami复杂多样的层间堆叠形式和演化过程，并且表明这些WSe2 kirigami的蚀刻行为受底部三层堆叠形式的控制。研究者提出这种独特的蚀刻工艺构建类似复杂的三维体系结构不只局限于WSe2，通过化学刻蚀制备kirigami结构能够普遍地在其他金属硫属化合物体系中实现。这项研究工作扩展了TMD材料的结构设计及其应用的发展方式，并为以2D材料为模板设计新型三维结构和复杂的层间堆叠开辟了新的可能性，将为在这些（通常是非中心对称的）2D材料中发现隐藏的物理现象创造机会，包括激子效应、电子传输、自旋极化态和超导电性。相关研究获得美国能源部基金（DE-FG02-09ER46664, DE-SC0014435）、中国国家自然科学基金（11435012）、留学基金委和王宽诚教育基金等项目的支持。

该论文作者为：Liang Cai, Melinda J. Shearer, Yuzhou Zhao, Zhili Hu, Fan Wang, Yi Zhang, Kevin W. Eliceiri, Robert J. Hamers, Wensheng Yan, Shiqiang Wei, Ming Tang and Song Jin

Chemically Derived Kirigami of WSe2

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 10980, DOI: 10.1021/jacs.8b03399