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成果介绍

掺杂或改变具有客体的晶体以获得所需的性能一直是材料科学的研究前沿。然而，许多晶体中密集的晶格结构限制了该策略的适用性。二维层状材料的出现引起了人们对利用这种方法的兴趣，通过两种重要的策略，静电门控和插层，在不破坏化学键的情况下提供宿主材料性能的可逆调制。此外，这些动态可调的技术使新型杂化材料的合成成为可能。

斯坦福大学崔屹、Harold Y. Hwang等人回顾了客体物种和宿主二维材料之间的相互作用如何调节材料的物理和化学性质，并讨论了它们在创造新型材料以及构筑各种结构等方面的潜力。具体地，本文重点讨论了应用于二维层状硫族化合物和氧化物的客体物种调控策略。首先介绍了两种主要的客体物种调控技术，即静电门控和插层技术。接着，简要讨论了各种工艺的机理和实验设计。然后，作者介绍了由客体物种调制所带来的前沿进展，包括新应用与新现象。最后，作者展望了在二维层状硫族化合物和氧化物中进行离子调制的巨大可能性，以及将这种方法推广到其他材料的前景。

相关工作以《Electrostatic gating and intercalation in 2D materials》为题在《Nature Reviews Materials》上发表论文。

图文介绍

图1 二维材料与客体的相互作用

传统的三维材料的客体物种调控主要依赖于主体材料和客体离子之间的化学反应，即分别将电子和空穴作为给体和受体引入主体材料，与周围原子形成共价键。客体物种插入主体材料将不可避免地引入缺陷和结构变形。相反，由于二维材料的层状和超薄特性，可以获得两种新的二维材料与客体的相互作用，它们不会破坏现有的共价键，分别是：客体物种可以驻留在原子表面并使二维材料极化、或离子可以迁移到层间位置并与材料发生化学作用。

图2 客体物种的静电门控策略

客体门控的工作原理类似于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)，通过改变作为晶体管器件中通道的材料的化学势来进行调制。在这两种情况下都需要介质来提供容纳由外部电压源引起的电荷的电容，但是介质组件在离子门控和传统的氧化物基晶体管门控中的性质不同。在MOSFETs中，电介质通常是绝缘氧化层，最常见的是SiO₂，其厚度从几十到数百纳米不等(图2a)。而对于客体门控，在电极和通道之间有一种由可移动离子组成的介质，即电解质。因此，客体门控也被称为离子门控。在电极和电解液之间的界面上形成双电层(EDL)，导致EDL电容远高于氧化介质的电容。

图3 二维材料中的门控调制和相位图

由客体物质门控实现的高浓度掺杂可以诱导二维材料主体产生新的特性。例如，最显著的是TMD基绝缘体与客体相互作用，从而引起材料的超导电性和基态发生调制。例如，采用离子液体栅电极获得的门控悬浮MoS₂双层膜，原子片出现超导特性，层间出现可控的约瑟夫森耦合。更具体地说，通过将悬浮物浸入离子液体中，使离子在上下两层堆积而得到的双侧栅极结构比单侧栅极产生更强的门控效应。

图4 客体插层的作用与研究进展

除了门控方法外，客体物种位于二维材料表面，二维材料的弱层间相互作用允许客体物种以有序的模式插入到层间间距中。其中，三种不同的客体：原子、离子和分子，可以插入到二维材料中。实现外来客体物种在二维材料中进行插层的方法，包括：固态反应、电化学反应、局部化学反应等。

插层对二维材料化学环境的影响主要有两个方面。首先是插层诱导的掺杂。与二维材料中的栅诱导静电掺杂不同，插层诱导的掺杂来自于电荷转移过程，该过程需要二维材料和插层材料的化学势不同，以及接收电子或空穴的空带的可用性。第二个效应是化学键。嵌层剂的键合构型所具有的独特的自由度会导致嵌层化合物电子结构的变化。当夹层原子和宿主原子的价电子发生相互作用时，即形成了化学键。这些原子电负性的差异影响了电子云的重叠。因此，电子能带结构易于通过形成新的化学键或杂化而改变。此外，客体原子也可以取代宿主原子，从而改变晶格结构。对于单一掺杂体系，这些效应往往同时存在，从而产生新的电子特性，并推动了新应用的发展。

文献信息

Electrostatic gating and intercalation in 2D materials ，Nature Reviews Materials，2022.

https://www.nature.com/articles/s41578-022-00473-6

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