单层金属相过渡金属硫族化合物相变材料的可控制备及场发射、光学性能研究

This project aim to achieve controllable synthesis of monolayer VS2, TaS2 (MIT-MS2) two dimension nanomaterials with metal-insulator phase transition by employing CVD growth and chemical hydrothermal synthesis methods, which combined lithium ion insertion liquid phase method, laser and plasma etching technology. This specific monolayer nanostructure growth evolution behavior is planned to be studied base on kinetic Monte Carlo simulation. According to CDW, Peierls phase transition and other related theories, the model, condition, phase transition characteristics and mechanisms of material MIT occurrence is expected to be confirmed. Using monolayer MIT-MS2 nanomaterials as object, this project will reveal their electronic field emission with variable temperature, and coherent field-related electronic field emission behaviors, establish reliable physical model of tunneling barrier and temperature dependent electronic field emission theory of two dimension MIT-MS2 nanomaterial. The temperature dependent photoluminescence, various nonlinear optical and magneto-optical physical effects are also to planned to be studied, the MIT-MS2 nonlinear corresponding system and parameters will be constructed on different nonlinear model, the surprising optical properties and patterns of monolayer MIT-MS2 nanomaterials will be studied through first principle. This project will explore to develop an original temperature dependent electronic field emission display and integrated micro nano-optoelectronic device with high performance, low power consumption based on monolayer MIT-MS2 nanomaterials.

本项目拟运用CVD生长、化学水热合成等方法并结合锂离子插入的液相法、激光及等离子体刻蚀技术，实现具有金属-绝缘体相变的单层VS2、TaS2 (MIT-MS2)二维纳米材料的可控制备。依据动力学蒙特卡罗模拟，研究该特定单层纳米结构的生长演化行为。根据CDW及Peierls相变等相关理论，确定材料发生MIT的模式、条件、相变特性和机制。以单层MIT-MS2纳米材料为对象，研究揭示其变温电子场发射、相干场致电子发射行为，建立可靠的遂穿势垒物理模型和适合于二维MIT-MS2纳米材料的变温场致电子发射理论。研究材料变温光致发光、各种非线性光学及磁光物理效应，构建在不同非线性模型下的MIT-MS2非线性响应系统和参数，通过第一性原理对单层MIT-MS2纳米材料的奇异光学特性与规律进行研究。探索研发基于单层MIT-MS2纳米材料的高性能、低功耗、原理性温控场致电子发射显示及集成微纳光电子器件。

本项目顺利完成了计划书所制定的任务，共发表SCI论文25篇，申请获授权中国发明专利4项。培养毕业博士研究生5名，毕业硕士研究生2名。.制备了VS2纳米片及其VS2@MoS2纳米复合结构，对其进行了电子场发射研究，发现该纳米复合结构具有优良的导电性和机械性能、大的比表面积、多的材料尖端数目、低的开启/阈值电场、高的场发射电流密度和发射点密度，在电子场发射器件应用中是具有潜力的候选材料。研究了基于VS2@MoS2纳米复合材料的电催化析氢和湿敏性能。实验证明该纳米复合材料能有效防止MoS2团聚，具有更多析氢活性位点和析氢稳定性、高的湿度传感灵敏度和快的时间相应。.制备了1T、2H和3R三种相的TaS2纳米材料，对比研究了它们电催化析氢性能的差异。制备了分形的八芒星形貌的3R相TaS2纳米材料。该材料有着大量的活跃位点及优异的催化效率。基于TaS2纳米片制造了多种柔性湿度传感器，这些湿度传感器具有较广的相对湿度检测范围、超快的响应/恢复时间、高灵敏度、高精度、以及优异的可逆性和稳定性。.制备了双花瓣WS2@MoS2复合纳米结构，研究分析了该复合结构样品对MB的光催化降解活性。理论计算分析了所涉及的催化反应机理。WS2@MoS2复合结构作为电催化剂可以提供大量的活性催化位，展现出优良的电催化析氢性能。通过实验和理论计算研究了WS2@Graphene复合结构的锂离子电池增强性能。.研究了MoS2@SnO2纳米异质结构的湿敏传感性能，该复合纳米结构具有高的水分子吸附能力和大的比表面积、更好响应/恢复时间和稳定性。制备了sS-MoS2@C复合结构，该复合纳米结构作为锂离子电池的电极材料，可以最大限度地对Li+进行存储、为电子、Li+提供更多的有效传输通道和途径。研究了MoS2/TiO2异质结和分形树枝状少层MoS2结构的电催化、湿敏传感性能。通过实验和理论计算证实了MoSe2/TiO2复合材料的光催化降解材料的优异的光催化降解性能。实验证明了MoSe2@MoS2复合异质结构的电催化析氢增强性能。