在当今时代，先进材料中存在的缺陷往往被人诟病，因为它破坏了晶态固体材料内部原子排列的规则性。然而，在材料中掺入杂质以形成缺陷，却成就了材料前所未有的性能。刚玉中掺杂一点铬原子或者铁原子，才能成就红宝石和蓝宝石；硅中掺杂一点杂质，才能成就现代计算机、机器人和万物互联的时代。过渡金属硫属化物（TMC），是一种由Mo或W为代表的过渡金属，以及S，Se或Te的硫族元素组成的新兴二维材料。通过改变过渡金属元素或者硫族元素，可以极大地调控单层TMC的各种性能。值得一提的是，经过多年研究，科学家发现这种材料可以从普通金属转变为半导体，甚至是超导体，因而在柔性电子器件、生物传感器、水净化等诸多领域的应用备用关注。通过CVD技术，国内外研究团队致力于将不同的单层TMC结合形成异质结，可以制造出超越现代硅器件的超薄电子产品。并且可以通过单层TMC制造高性能功能设备，在材料的不同区域，可以分别具有具有金属性质和半导体性质。https://www.nature.com/articles/nature25155https://www.nature.com/articles/d41586-017-08755-8然而，二维材料的实际应用，和许多其他新兴材料一样，依然受到材料规模化的制约。将单层TMC集成到功能器件中长期面临的一个关键问题在于：在环境条件下，金属相单层TMC稳定性往往不超过一个月。在材料发展历史上，掺杂策略堪称经典之经典，它打破常规认知，并于20世纪下半页直接促进了数字革命的到来。大约80年前，研究人员在Si中掺入B和P原子，形成了p型和n型硅材料以及传说中的p–n结，奠定了当代计算机的基础。2020年1月22日Nature杂志在线报道，北京航空航天大学的杨树斌研究团队联合美国莱斯大学Pulickel M. Ajayan等人通过掺杂策略故意引入杂质，发展了一种生产空气中超级稳定的二维材料的新方法，所制得的单层TMC在环境条件下可以稳定存在一年以上。这种方法可以直接将非范德华固体材料转变为单层TMC，极具普适性，且操作简便，成本低廉，非常适合工业生产，将二维材料的应用极大地推向了市场商业化。新加坡国立大学Wei Sun Leong应邀对此进行工作述评。2）然后，在含有两种气体的氛围中，以高温（873~1373 K）将晶体加热4小时。这两种气体中，一种为含硫族元素气体，用于为单层TMC提供硫族元素。另一种为含磷气体，用于为单层TMC提供更多杂原子掺杂；3）最后，通过液体剥离方法，将所得的TMC晶体转化为单层TMC溶液。通过这种三步双掺杂策略，研究人员成功制备出掺有钇和磷原子的金属相WS2单层TMC。作为对比，他们成功制备出只有一种金属掺杂，以及未掺杂的单层TMC。为了验证这种制备方法的普适性，研究人员一共制作了六种掺杂的单层TMC和七种未掺杂的单层TMC。从科学本身的角度而言，二维材料亟待解决的问题在于环境中的高度稳定性。杨树斌团队的最新研究工作表表明，少量（少于1％）杂原子的掺杂可以稳定单层TMC。这为材料研究人员提供了新的思路：应当开始探索使用化学元素来稳定二维材料，而不用再使用包裹等复杂策略。常规的CVD或者外延生长策略生产的薄膜普遍需要精细的分离工艺以与生长基底分离，操作复杂且容易导致材料性能降低。从商业化市场的角度而言，杨树斌团队的最新策略的另一个优点就在于，最终得到的二维材料处于液体墨水的形式，而墨水可以使用诸如喷墨打印或旋涂之类的技术简便地沉积在任意基材上，因此很容易集成到宏观体系，这种制备方法符合工业制造的市场化期望。当然，究竟哪些元素适用于哪些二维材料的稳定，还需要进一步系统化研究。这方面，机器学习或许可以有所帮助。总之，这项研究表明，原子级缺陷对于人们深入理解和操控材料性能起到至关重要的作用。1. Zhiguo Du et al. Conversion of non-vander Waals solids to 2D transition-metal chalcogenides. Nature 2020, 577, 492–496.https://www.nature.com/articles/s41586-019-1904-x2. Wei Sun Leong. ersatile strategy formaking 2D materials. Nature 2020, 577, 477-478.https://www.nature.com/articles/d41586-020-00094-5
