CAMBRIDGE,MA–由于暴露在氧氣和水蒸氣中會迅速降解，因而使得許多具有光學(xué)、電子或光電應(yīng)用前景的二維材料的使用受到了阻礙。到目前為止，在2D材料上所使用的防護(hù)涂層已被證明是昂貴的和有毒的，且無法被去除。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種超薄的涂層，它價格便宜，使用簡單，且可以通過特定的酸來去除。

研究人員說，這種新涂層可能會為這些2D材料開辟出廣泛的應(yīng)用前景，他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上，論文由麻省理工學(xué)院的研究生SuCong、LiJu教授、KongJing教授、MirceaDinca教授和HuJuejun教授，以及麻省理工學(xué)院、澳大利亞、中國、丹麥、日本和英國的其他13人共同撰寫。

李教授說，對二維材料的研究是一個“非常活躍的領(lǐng)域”，這種材料可以形成只有一個或幾個原子厚度的薄片。由于其不同尋常的電子和光學(xué)特性，這些材料有很好的應(yīng)用前景，例如高靈敏度的光探測器等。但其中許多物質(zhì)，包括黑磷和一類被稱為過渡金屬二硫化物(TMDs)的物質(zhì)，在暴露于潮濕空氣或各種化學(xué)物質(zhì)時都會腐蝕。它們中的許多物質(zhì)在短短幾小時內(nèi)就會嚴(yán)重退化，從而無法在實際應(yīng)用中使用。

“這是開發(fā)此類材料的關(guān)鍵問題”，李教授說，“如果你不能在空氣中穩(wěn)定它們，它們的處理能力和用途則是有限的”。他還說，硅之所以成為電子設(shè)備中無處不在的材料，原因之一是當(dāng)暴露在空氣中時，它會在表面自然形成一層二氧化硅保護(hù)層，防止表面進(jìn)一步退化。但是對于這些原子厚度的材料來說，這就更困難了，它們的總厚度甚至可能比二氧化硅保護(hù)層還小。

人們曾嘗試在各種2D材料上涂上一層保護(hù)屏障，但迄今為止，它們都存在嚴(yán)重的局限性。大多數(shù)涂層比2D材料本身要厚得多，多數(shù)還很脆，易形成裂縫，讓腐蝕的液體或濕氣通過。而且許多涂層還具有毒性，會產(chǎn)生廢棄物處理和處置的問題。

研究人員說，這種新涂層基于一系列被稱為線性烷基胺的化合物，并改善了其缺點。這種材料可以應(yīng)用在只有1納米(十億分之一米)厚的超薄涂層上，在應(yīng)用后對材料進(jìn)行進(jìn)一步加熱，使微小的裂縫愈合，從而形成了一個連續(xù)的屏障。該涂層不僅不受各種液體和溶劑的影響，且有效阻擋了氧氣的滲透。而且，需要的話，還可以使用某些有機(jī)酸進(jìn)行去除。

“這是一種獨(dú)特的”保護(hù)薄的原子薄片的方法，李說，它產(chǎn)生了一個額外的單分子厚度的層，稱為單層，可以提供非常持久的保護(hù)。“這使材料的壽命延長了100倍”，并將其中一些材料的加工能力和可用性從幾個小時延長到了幾個月。他補(bǔ)充說，這種化合物涂層“非常便宜，且容易使用”。

除了對這些涂層的分子行為進(jìn)行理論建模外，該團(tuán)隊還用新涂層保護(hù)的TMD材料薄片制作了一個工作用的光電探測器，用于概念驗證。涂層的材料是疏水性的，否則會擴(kuò)散到涂層內(nèi)部，并溶解掉涂層內(nèi)自然形成的氧化保護(hù)層，從而導(dǎo)致腐蝕快速發(fā)生。

蘇解釋說，涂層的應(yīng)用是一個非常簡單的過程。將2D材料放入液態(tài)己胺(線性烷基胺的一種形式)中，在常壓和130°C的溫度下，大約20分鐘后便形成了保護(hù)涂層。然后，為了產(chǎn)生光滑的、無裂紋的表面，繼續(xù)將材料在相同的己胺蒸汽中暴露20分鐘即可。

蘇說：“你只要將薄片放入這種液體化學(xué)物質(zhì)中，然后讓它加熱就可以了。基本上就是這樣。”涂層“是非常穩(wěn)定的，但它可以被某些特定的有機(jī)酸去除。”

這類涂層的使用可能會為2D材料開辟新的研究領(lǐng)域，包括TMDs和黑磷，但也可能是硅烯、stanine和其他相關(guān)材料。由于黑磷是所有這些材料中最脆弱和最容易降解的，這就是該團(tuán)隊最初要用它來驗證概念的原因。

蘇說，這種新的涂層可以克服“使用2D材料的第一個障礙”。他說：“實際上，在你要將2D材料應(yīng)用于任何應(yīng)用之前，都需要處理工藝中的降解問題。”而現(xiàn)在，這一步已經(jīng)完成。

該研究團(tuán)隊包括麻省理工學(xué)院的核科學(xué)與工程系、化學(xué)系、材料科學(xué)與工程系、電氣工程系和計算機(jī)科學(xué)系的研究人員、電子研究實驗室的研究人員，以及其他在澳大利亞國立大學(xué)、中國科學(xué)研究院、丹麥奧胡斯大學(xué)、牛津大學(xué)、日本信州大學(xué)的研究人員等等。該項目工作也得到了來自美國能源部資助的Excitonics中心和能源前沿研究中心、國家科學(xué)基金會、中國科學(xué)院、英國皇家學(xué)會、美國陸軍研究辦公室支持的麻省理工學(xué)院士兵納米技術(shù)研究院和日本東北大學(xué)的支持。