石墨烯（Graphdiyne，GDY）是一種人造碳同素異形體，在概念上與石墨烯相似，但由sp-和sp2-雜化的碳原子組成。單層 GDY（ML-GDY）被認(rèn)為是一種理想的二維半導(dǎo)體材料，具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，它的合成一直是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致理論特性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證困難重重。本文報(bào)告了在 MXene 亞納米層間空間內(nèi)原位乙炔基均偶聯(lián)六乙炔基苯的方法，可有效防止材料的面外生長(zhǎng)或垂直堆積，從而得到具有面內(nèi)周期性的 ML-GDY。隨后的剝離過程成功產(chǎn)生了具有微米級(jí)橫向尺寸的獨(dú)立 GDY 單層。在獨(dú)立的 ML-GDY 上制造場(chǎng)效應(yīng)晶體管使首次測(cè)量其電子特性成為可能。室溫下測(cè)得的電導(dǎo)率（5.1 × 103 S m
-1）和載流子遷移率（231.4 cm
2 V
-1 s
-1）明顯高于之前報(bào)道的多層 GDY 材料。以層狀晶體為模板的空間約束合成為制備具有精確控制的層數(shù)和長(zhǎng)程結(jié)構(gòu)秩序的二維材料提供了一種新策略。
Fig 1. a) 在 MXene 層間空間生長(zhǎng) GDY 單層的過程示意圖。b) MAX、MXene、HEB-摻雜 MXene（HEB-MXene）和 GDY-MXene 的實(shí)驗(yàn) PXRD 圖樣。插圖是 GDY-MXene PXRD 圖樣中選定區(qū)域的放大圖，顯示了 GDY 的面內(nèi) (100) 反射。c-e) 沿著 [110] 區(qū)軸采集的 MAX c)、MXene d) 和 GDY-MXene e) 的原子分辨率 HAADF-STEM（上圖）和 iDPC-STEM（下圖）圖像。f) GDY-MXene 的放大 iDPC-STEM 圖像。箭頭表示生長(zhǎng)在 MXene 層間空間的 GDY 單層。 g) 從（c）、（d）和（e）中標(biāo)記區(qū)域提取的圖像強(qiáng)度曲線。標(biāo)記列的原子類型顯示了三種材料截然不同的層間結(jié)構(gòu)。
Fig 2. a) GDYMXene 沿著[110]區(qū)軸的結(jié)構(gòu)模型（左）和環(huán)形暗場(chǎng)-STEM 圖像（右）。 b) 從 GDY-MXene 的 Ti3C2Tx 層（上）和層間空間（下）收集到的 C-K 邊 EELS 光譜，如 a) 所示。c) 根據(jù)從（a）所示區(qū)域收集的 C-K 邊沿（285.5-287.5 eV）EELS 光譜繪制的元素圖（左）和強(qiáng)度曲線（右），表明層間空間的碳含量較高。左側(cè)插圖是使用聚焦離子束蝕刻 GDY-MXene 晶體以暴露內(nèi)部結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡圖像。十字標(biāo)記表示收集拉曼光譜的位置。右側(cè)插圖是 HEB 的拉曼光譜，以作比較。e) MXene 和 GDY-MXene 的高分辨率 C 1s XPS 光譜。 f) GDY-MXene 的 SAED 圖樣，顯示出兩組六方晶格，可歸屬于取向關(guān)系為 30°的 MXene 和 GDY 結(jié)構(gòu)。上插圖是獲取 SAED 圖樣的 GDY-MXene 晶體的 TEM 圖像。下插圖是一個(gè)結(jié)構(gòu)模型，說明了 ML-GDY 和 MXene 之間的取向關(guān)系。
Fig 3. a) 通過離子插層輔助剝離法從 GDY-MXene 制備獨(dú)立 ML-GDY 的示意圖。 b) 剝離的 GDY-MXene 粉末的原子力顯微鏡圖像，顯示不同厚度薄片的混合物。c) （b）中四個(gè)標(biāo)記薄片的原子力顯微鏡高度剖面圖。d) ML-GDY 和 Ti3C2Tx 單層薄片（使用原子力顯微鏡預(yù)先識(shí)別）的拉曼光譜。 e) 基于 2120-2230 cm
-1 處信號(hào)的 ML-GDY 薄片拉曼強(qiáng)度圖。插圖為相應(yīng)的原子力顯微鏡圖像。所示的 0.61 nm 高度對(duì)應(yīng)于剖面圖中的最低值。 f) 獨(dú)立 ML-GDY 的 TEM 圖像和 SAED 圖樣（插圖）。從獨(dú)立 ML-GDY 和 TEM 網(wǎng)格的無定形碳薄膜上收集的低損耗 g) 和核心損耗 h) EELS 光譜。g) 中的插圖是進(jìn)行 EELS 的區(qū)域的 STEM 圖像。(h) 中的插圖是 ML-GDY 的放大 EELS 光譜。
Fig 4. a) ML-GDY FET 器件的結(jié)構(gòu)示意圖。 b) 在 298 K 條件下測(cè)量的 ML-GDY 的 I
ds-V
ds 特性。c) ML-GDY 的電導(dǎo)率和電阻（插圖）與溫度的反函數(shù)關(guān)系。 d) V
ds = 0.05 V 時(shí) ML-GDY FET 的轉(zhuǎn)移特性曲線。插圖顯示了 ML-GDY FET 在 -20 至 20 V 不同 V
g 偏置下記錄的輸出特性曲線。
相關(guān)研究工作由北京大學(xué)Jin Zhang和阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)Zhiping Lai、Jiaqiang Li課題組于2023年共同發(fā)表在《AM》期刊上，Space-Confined Synthesis of Monolayer Graphdiyne in MXene Interlayer，原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202308429
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
