天津大学封伟教授团队Nano Today：带隙可调的二维纳米材料：合成、性质、应用

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近期，天津大学封伟教授团队在纳米技术领域权威期刊《Nano Today》（IF=16.9）上发表了题为“Two-dimensional nanomaterials with engineered bandgap: Synthesis, properties, applications”的综述文章（DOI: 10.1016/j.nantod.2020.101059）。作者结合团队自身的研究工作，介绍了近年来二维纳米材料的带隙工程研究进展及其对不同领域应用的推进。

在过去的十多年里，二维纳米材料的相关研究成为了材料领域的前沿热点，各类二维纳米材料相继被发现，如单元素二维纳米材料 (石墨烯、硅烯、锗烯、磷烯、砷烯，硼烯、碲烯等)，过渡金属二硫族化物（TMDs），h-BN，

g-C₃N₄，ⅣA-ⅥA二维纳米材料，二维钙钛矿，二维共价有机框架（COFs），二维金属有机框架（MOFs）等。一方面，由于仅有原子层厚度，二维纳米材料表现出许多其体材料所无法达到的力学、电子、化学和光学性能，如二维电子限域、超高比表面积、高光学透明度，以及高机械强度和柔韧性等，使得二维纳米材料在诸多应用领域拥有广泛的应用前景。另一方面，带隙——价带顶部（最高已占据分子轨道）和导带底部（最低未占据分子轨道）之间的禁带宽度——对二维纳米材料的电学性能、光吸收、光释放和催化性能等起着决定性的作用。因此，二维纳米材料的带隙工程在众多实际应用中——太阳能电池、场效应晶体管、发光二极管、光电探测器、传感器和光催化等——发挥着重要作用。

图1：基于二维纳米材料的几种应用的示意图

大部分二维纳米材料带隙都呈现明显的层数依赖性，所以通过调控层数，可以实现从金属到宽带隙半导体的变化。进一步地，控制二维纳米材料纳米带的带宽和边缘结构都能实现对带隙的有效调控。再者，由于仅有原子级厚度，掺杂、修饰都很容易实现二维纳米材料从金属到绝缘体的渐变。此外，通过杂化区域结构、相变、扭转垂直异质结等手段，也能实现对带隙的有效调控。

单元素二维纳米材料

最典型的单元素二维纳米材料是石墨烯，由于具有很多非常优异的性质而被广泛关注。但是在常温下石墨烯带隙几乎为0，这大大限制了石墨烯的应用。通过氧化、氢化、氟化、杂化石墨烯和h-BN区域结构、控制石墨烯纳米带带宽和边缘结构、石墨烯魔角等手段，可以将石墨烯带隙打开到4 eV以上，从而实现石墨烯在场效应晶体管、光催化等诸多领域的实际应用。此外，可以通过修饰实现硅烯、锗烯、磷烯的稳定，而第五主族单元素二维纳米材料（磷烯、砷烯、锑烯、铋烯）显示出对层数极强的依赖性，在调控带隙的同时，可实现对高性能场效应晶体管沟道材料厚度的最佳选择。

图2：杂化石墨烯-h-BN区域结构和应用

过渡金属二硫族化物

过渡金属二硫族化物（TMDs）包括MoS₂、MoSe₂、WS₂、WSe₂、MoTe₂、WTe₂等，相较于单元素二维纳米材料，TMDs显示出合适的带隙（1-2 eV）,高稳定性等优势。然而，TMDs由于自身结构和缺陷等原因，显著降低了其应用性能，在场效应晶体管中显示出非常低的载流子迁移率。因此，可以通过化学修饰、合金化、相变、构筑平面异质结、扭转垂直异质结、层数控制、纳米带结构控制等手段实现对TMDs的带隙调控，同时可以降低材料的缺陷、减小接触电阻、增强电荷转移，从而实现高的载流子迁移率、高催化效率、高光敏性、高光伏转换效率，进而实现在场效应晶体管、光催化、光探测、太阳能电池等领域的高性能应用。

图3：MoS₂的相变及其应用

其它二维纳米材料

二维纳米材料经过十几年的高速发展，出现了诸多种类，除了上述材料，还包括h-BN、g-C₃N₄、ⅣA-ⅥA二维纳米材料、过渡金属碳/氮化物（MXenes）、二维钙钛矿、二维共价有机框架（COFs）、二维金属有机框架（MOFs）等。通过各种手段不仅能实现对这些材料的带隙调控，而且能显著提升其应用性能。例如，通过控制钙钛矿的厚度，不仅能实现材料在1-3 eV的大范围带隙变化，实现宽波段的材料发光和光探测，同时二维钙钛矿具有更高的环境稳定性，可以实现太阳能电池长时间的低损耗和高效率。此外，通过调控二维COFs和MOFs的带隙和能带结构，能更好地满足光催化的需求。

图4：二维钙钛矿的结构及其应用

总结和展望

本文首先简要介绍了二维纳米材料带隙的物理意义以及带隙工程可行性。根据对材料结构和带隙的影响，总结了带隙工程的几种方法，包括化学修饰、掺杂、杂化区域结构、相变、控制厚度、控制纳米带带宽和边缘结构，以及扭转垂直异质结等。再者，针对不同的二维纳米材料，详细地阐述和讨论了带隙工程的具体实现途径及其对应用性能的优化。最后，基于目前的研究进展，提出了二维纳米材料及带隙工程面临的挑战，展望了未来的研究方向。这篇综述有望为化学、物理、工程、纳米科学与纳米技术、材料科学等交叉学科领域的快速发展提供助力。

该论文的第一作者为天津大学博士研究生王宇，通讯作者为天津大学封伟教授。该研究得到国家科技部重点研发项目的支持。

引用：

Wang, Yu; Wang, Ling; Zhang, Xin; Liang, Xuejing; Feng, Yiyu; Feng, Wei. Two-dimensional nanomaterials with engineered bandgap: Synthesis, properties, applications. Nano Today 2021, 37, 101059.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nantod.2020.101059

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