【材料】华中科技大学翟天佑团队：新型低对称二维双金属硫化物的平面各向异性- 大数跨境

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【材料】华中科技大学翟天佑团队：新型低对称二维双金属硫化物的平面各向异性

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2018-01-24

导读：华中科技大学翟天佑所领导的新材料与器件研究中心团队、南方科技大学的石兴强团队和湖南师范大学的王伟科博士合作，从实验和理论上发展了一种新型的层状双金属硫化物Ta2NiS5，该材料具有高度的光学和电学平面

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注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析

自2014年以来，黑磷（BP）迅速成为二维材料领域的新宠。BP具有很多优异的特性，如高迁移率、直接带隙和平面各向异性等，有望在晶体管器件和光电子器件发挥重要的应用。其中，BP的平面各向异性受到研究者更为广泛的关注，这是因为在黑磷之前，所发现的二维材料如石墨烯、MoS₂等都为平面各向同性。这种平面各向异性的特性可用来设计一些新型的器件，如极化敏感的光电探测器等。然而，BP在空气中极不稳定，限制了其未来的器件应用。因此，寻求具有平面各向异性和直接带隙特点的新型二维材料是未来设计新颖光电子器件的一种途径。

最近，华中科技大学翟天佑教授所领导的新材料与器件研究中心团队、南方科技大学的石兴强助理教授团队和湖南师范大学的王伟科博士合作，从实验和理论上发展了一种新型的层状双金属硫化物Ta₂NiS₅，该材料具有高度的光学和电学平面各向异性及~0.3 eV的直接带隙。研究者发现，在Ta₂NiS₅的面内，沿着a轴方向，Ni和S形成的四面体单元NiS₄与Ta和S形成的八面体单元TaS₆分别形成准一维的链状结构；而沿着c轴方向，这些链通过S原子连接形成扭曲的锯齿链。这种平面方向的低对称性使Ta₂NiS₅具备平面各向异性物理特性的潜质。进一步角分辨的偏振拉曼光谱测试表明，拉曼振动模强度在某些特定的方向上呈现最大或最小值，证明了Ta₂NiS₅具有平面各向异性，结合偏振红外光吸收测试，可以准确、无损伤地判定所剥离Ta₂NiS₅薄片的晶体方向。另外，第一性原理计算表明，Ta₂NiS₅是良好的直接带隙半导体，其能带色散关系为各向异性，沿着c轴和a轴的电子有效质量比接近10:1。进一步的电输运测试也证实了这种电学性质的平面各向异性。

图1. 双金属硫化物Ta₂NiS₅的晶体结构

图2. 角分辨的偏振拉曼光谱测试示意图和结果

这项研究不仅丰富了二维平面各向异性家族的成员，更证实了双金属Ta₂NiS₅具有高度的平面各向异性和直接带隙物理特性，未来有望在极性敏感的红外光电子器件发挥重要的应用。相关成果近期发表在ACS Nano 上，文章的第一作者为华中科技大学的博士后李亮博士和南方科技大学的博士后巩朋来博士。

该论文作者为：Liang Li, Penglai Gong, Weike Wang, Bei Deng, Lejing Pi, Jing Yu, Xing Zhou, Xingqiang Shi, Huiqiao Li, Tianyou Zhai

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Strong In-Plane Anisotropies of Optical and Electrical Response in Layered Dimetal Chalcogenide

ACS Nano, 2017, 11, 10264, DOI: 10.1021/acsnano.7b04860

翟天佑教授简介

翟天佑，华中科技大学材料科学与工程学院教授，中组部“青年千人计划”入选者（2012年），国家优秀青年科学基金获得者（2013年），国家自然科学二等奖获得者（5/5，2014年），中国化学会青年化学奖获得者（2014年），汤森路透2015全球高被引科学家入选者（2015年），英国皇家化学会会士（2017年）；2008年博士毕业于中国科学院化学研究所，师从姚建年院士；2008-2012年在日本物质材料研究机构先后任JSPS博士后和ICYS研究员，主要从事低维无机光电功能材料与微纳器件方面的研究，已在Chem. Soc. Rev. (2)、Prog. Mater. Sci. (2)、Adv. Mater. (19)、Energy Environ. Sci. (2)、Angew. Chem. Int. Ed. (2)、ACS Nano (3)、Adv. Energy Mater. (3)、Adv. Funct. Mater. (20) 等化学和材料知名期刊上发表（含接受）论文170余篇（60篇IF > 10，120篇IF > 5），21篇论文引用超过100次，23篇论文选为封面或卷首插画文章，15篇论文选为ESI高被引论文，所有论文被SCI期刊引用近8182次，H因子为48。

http://www.x-mol.com/university/faculty/37861

科研思路分析

Q：这项研究的想法是怎么产生的？

A：我们团队主要的研究方向之一是二维材料光电子器件。在追求高性能光电器件的同时，我们也关注一些二维材料新颖的光学和电学特性，这也是进一步优化设计高性能光电器件的必经之路。在竞争激烈的二维材料领域，我们注意到三元双金属Ta₂NiS₅的结构非常有趣，它并不像传统的过渡金属硫属化合物那样在平面方向高度对称，而是在a轴方向形成准一维的NiS₄和TaS₆链，在c方向上这些链通过S原子扭曲连接。基于Ta₂NiS₅的低对称结构，我们推断其在平面方向的物理性质具备各向异性。