黎德龙综述:新型二维PtSe₂的制备、应用与挑战

Two‑Dimensional Platinum Diselenide: Synthesis, Emerging Applications, and Future Challenges
Youning Gong#, Zhiao Lin#, Yuexing Chen#,Qasim Khan, Cong Wang, Bin Zhang, Guohui Nie, Ni Xie, Delong Li*Nano‑Micro Lett.(2020)12:174

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00515-0

本文亮点
1. 全面介绍了二维PtSe₂的制备方法,并对现有方法优缺点进行系统总结。
2. 完整综述了二维PtSe₂在光/电子器件、光催化、HER以及传感器等领域的应用进展
内容简介
近年来,具有二维层状结构的过渡金属硫族化合物(TMDCs)受到了广泛关注。独特的物理化学性质使得二维TMDCs成为了光/电子器件等领域的明星材料。作为一种新兴二维TMDCs材料,二维PtSe₂由于其优异的物理化学性质,在多个领域受到了广泛关注。除了拥有石墨烯、硫化钼等二维材料的优点之外,二维PtSe₂的独特的层数依赖能带结构、面内各项异性、优异的稳定性等性质使其成为了目前的研究热点材料之一。目前,二维PtSe₂已经在各种光、电子器件、光催化、HER、传感器等领域展现了巨大应用潜力。深圳大学微纳光电子学研究院黎德龙等人在本综述中系统总结了二维PtSe₂的最新研究进展。首先详细介绍了PtSe₂的晶体结构、电子结构及其基本性质;其次,详细总结了二维PtSe₂的各种制备方法及其优缺点;进而,重点总结了二维PtSe₂的应用研究进展,包括光探测器、锁模激光器、场效应晶体管、光催化、HER以及传感器等。最后总结了二维PtSe₂面临的挑战和下一步的研究方向。
图文导读
二维PtSe₂简介作为一种新型二维材料,PtSe₂稳定相是1T相,空间点群属于D³3d (P3m1),PtSe₂的原子结构如图1a所示。Pt原子占据八面体顶点,周围被6个Se原子围绕。PtSe₂的能带最突出的特征是具有层数依赖的能带结构。如图1b-d所示,单层的PtSe₂具有典型的半导体特征,禁带宽度约为1.17 eV,块体的PtSe₂具有典型的0带隙半金属特征。图1d为不同厚度的PtSe₂带隙。

图1. (a) PtSe₂原子结构示意图;(b) 块体PtSe₂能带结构;(c) 单层PtSe₂能带结构;(d) PtSe₂带隙随厚度变化。
II 二维PtSe₂的可控制备
目前报道的二维PtSe₂的制备方法主要包括:机械剥离法(ME)、化学气相沉积法(CVD)、Pt薄膜硒化(TAC)、分子束外延(MBE)、化学气相传输(CVT)、溶液法等。不同方法的优缺点对比如图2所示。如图3所示为不同方法制备的二维PtSe₂的形貌。

图2. 二维PtSe₂制备方法对比。

图3. 二维PtSe₂形貌:(a) 机械剥离PtSe₂;(b) CVD生长PtSe₂单晶纳米片;(c) CVD生长PtSe₂多晶薄膜;(d) 不同厚度高温硒化PtSe₂薄膜;(e) 水热法制备PtSe₂纳米片;(f) CVT生长PtSe₂单晶纳米片;(g) MBE生长PtSe₂薄膜。
III 二维PtSe₂的应用进展
3.1 光探测器
PtSe₂的带隙随着层数减少在0 eV到1.2 eV之间变化,使得PtSe₂在宽波段光探测器领域有巨大应用前景。如图4所示,是基于PtSe₂及其异质结的光探测器性能总结与对比。总体而言,PtSe₂探测器的响应时间均在微秒量级,具有开发高响应速率探测器潜力。此外,响应度最大的波段主要是可见到近红外区间,但是也有文章报道了在近红外到中红外波段的高响应器件。例如Wang等人开发的PtSe₂/Ge异质结探测器,在1550 nm获得了0.602 A/W的高响应度。Yu等人利用CVT制备的高质量PtSe₂,在632 nm-10⁴ nm波段均有较高响应度。
图4. PtSe₂及其异质结光探测器性能。
3.2 锁模激光
自2009年,石墨烯首次应用到锁模激光器以来。二维材料作为天然的宽带响应可饱和吸收体,在短脉冲、高重频、高稳定性的高性能超快锁模激光器领域收到广泛关注。2018年,Yuan等人首次报道了二维PtSe₂的饱和吸收性质。如图5所示,非线性光学测试显示PtSe₂在1064 nm最大调制深度达到26%,饱和强度低至0.346 GW cm⁻²。利用PtSe₂作为饱和吸收材料的锁模激光器脉冲时间最小可达1.02 ps (1563 nm光纤激光器)。

图5. 基于PtSe₂的锁模激光器装置示意图及性能表征。

3.3 场效应晶体管

场效应晶体管是电子器件的基本组成单元。二维材料具有丰富的夹带结构和可调的厚度,在新型沟道材料众展现巨大潜力。2018年,Zhao等人首次利用PtSe₂构建了场效应晶体管,并测试了器件的性能。多个研究团队研究了PtSe₂的载流子迁移率随着厚度变、温度变化特性,PtSe₂的载流子传输特性与能带变化能够很好的对应,主要是因为厚度依赖的能带结构引起的(图6a-b)。此外基于不同厚度的PtSe₂的特性,可以利用厚的PtSe₂作为电极材料,薄PtSe₂作为沟道材料构件全PtSe₂器件(如图6c-d所示)。

图6. PtSe₂场效应晶体管结构及性能测试。

3.4 光催化

光催化降解是去除有机物染的一种非常环保且有效的方法。理论计算PtSe₂的价带底和导带顶的位置、溶解焓(图7a-b)表明,单层的PtSe₂,PtS₂,MoS₂等二维材料是非常好的光催化材料。实验也证明(图7c-d)PtSe₂的光催化性能和商业化氮掺杂TiO₂的光催化性能相当。此外,PtSe₂薄膜的光催化分解水产氢方面同样显示出巨大潜力,目前报道的最大产氢速率达到506 mmol/hm。同时,PtSe₂具有非常优异的稳定性,使得PtSe₂在高效、长效光催化剂开发中具有巨大潜力。

图7. PtSe₂光催化性能理论模拟及实验测试。

3.5 HER

H₂在未来能源中占有者举足轻重的地位,是未来绿色能源的重点来源之一。电催化产氢是目前开发的氢能源最重要的技术方法。超薄二维材料作为一种高效电催化剂,在电催化产氢领域受到广泛关注。DFT计算表明PtSe₂的过电势为0.63 eV,Tafel斜率为132 mV/dec (图8a-b)。其性能可以通过部分氧化或者还原得到进一步增强。此外,有研究表明,通过控制PtSe₂的边缘位点的密度可以有效的调控PtSe₂的电催化性能(图8c-f)。

图8. PtSe₂电催化性能理论及实验研究。

3.6 传感器

微电子设备在人体健康检测、环境监测、智能机器人等领域具有重要作用。开发高性能、多功能的高集成度传感器是满足上述需求的核心器件。传感器能够有效检测微量物理参数变化的集成器件,包括气体传感器、压力传感器、湿度传感器等。2017年,Sajjad等人就利用了第一性原理计算模拟了PtSe₂对CO、CO₂、NO、NH₃等常见气体的响应。实验也进一步证实PtSe₂薄膜作为高灵敏度气体传感器的潜力(图9a)。PtSe2作为一种新型二维材料,是一种可以作为压阻材料的新型叠层材料。基于二维PtSe₂优异的结构特性,能够开发高灵敏度的压阻传感器。如图9b-c所示为基于二维PtSe₂开发的PtSe₂/PMMA压变传感器。在外部应变(拉伸、压缩)情况下,基于PtSe₂/PMMA传感器的具有非常高的灵敏度、应变灵敏度因数,相比目前报道数据提高2-5个数量级。
图9. 二维PtSe₂传感器:(a) NO₂气体传感器;(b-c) PtSe₂压力传感器。

IV 总结与展望

PtSe₂目前在材料制备和应用方面都取得了丰硕的研究成果。由于期独特的能带结构、低温下易大面积制备等优点,PtSe₂有望在新型光电子器件等诸多领域发挥更重要的作用。

今后的研究方向主要包括:1) 高质量、大面积单晶PtSe₂的可控制备;2) PtSe₂微结构调控,例如基于成分调控合成Janus二维材料、基于缺陷控制优化光电性能等;3) PtSe₂在新兴领域的应用,例如在中红外光探测、柔性热电器件,大面积柔性显示等领域。

作者简介

龚佑宁

本文第一作者

深圳大学 博士后

主要研究领域

主要从事二维新型纳米材料的制备与表征、微纳结构设计及其在能量储存与转换方面的应用。

主要研究成果

现已在国内外学术期刊发表论文24篇,作为第一作者在Green Chemistry, ACS Applied Energy Materials, Applied Surface Science等期刊发表论文8篇,其中1篇入选ESI高被引论文。

Email: youninggong@szu.edu.cn

林志滔

本文共同第一作者

澳门科技大学 博士研究生

主要研究领域

基于二维材料的光电探测器、生物传感器研究。

主要研究成果

在国内外学术期刊以共同第一作者发表论文4篇,包括Advances Science, IEEE Photonics Journal, IEEE Sensors Journal。

Email: 215921940@qq.com

黎德龙

本文通讯作者

深圳大学

主要研究领域

主要从事低维纳米材料制备与表征,及其在光电子器件、能源存储与转换领域应用。

主要研究成果

在Photonics Research, ACS Applied Energy Materials, Green Chemistry, Nanoscale等期刊上发表SCI收录论文30余篇,论文总引用次数1400余次,H因子20。

Email: lidl@szu.edu.cn

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部
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Nano-Micro Letters《纳微快报》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知网、万方、维普等数据库收录。2019 JCR影响因子:12.264。在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前15%)。2019 CiteScore:12.9,材料学科领域排名第4 (4/120)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。

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