刘政最新《Nature Synthesis》：单金属原子链的直接生长

研究背景

单金属原子链(Single-metal-atom chains, SMACs)是最小的一维结构，由于其独特的物理和化学性质引发了广泛的研究。然而，目前已报道的SMACs具有制备条件严苛，力学性质不理想，稳定性较差等缺点。这些劣势限制了SMACs在电子器件和催化剂中的应用。因此，探索SMACs简单、有效且普适的合成方法，制备环境和热稳定性良好的SMACs具有重要意义。

图文导读

近日，新加坡南洋理工大学材料科学与工程系的刘政副教授和合作者们在Nature旗下的新子刊Nature Synthesis以Direct growth of single-metal-atom chains为题报道了在二维材料中一维晶界通道形成机制的启发下，在晶圆级的TMD材料薄膜中直接制备铂SAMCs的研究进展。

研究者们制备得到的铂SAMCs平均长度达到17 nm，具有优良的环境稳定性。研究证明这些铂SAMCs具有较强的金属性，可以在二维材料薄膜中形成导电网络，丰富了其电子特性并拓宽了该材料的应用前景。

此外，该SAMCs制备策略具有一定的普适性，研究人员成功利用相似的合成方法制备出性能优良的钴SMACs。

图1 铂SMACs的可控制备

研究人员通过化学气相共沉积的策略在晶圆级原子级厚度的MoS2薄膜中制备铂SMACs的网络。其中，铂前驱体既为铂SMACs提供了铂元素，又诱导形成了晶界丰富的MoS2薄膜，为铂SMACs的生长提供通道。光谱学研究证明所有的铂原子都与硫原子共价键合，而不是物理吸附在MoS2表面或孤立的微粒上。铂的质量负荷高达约13wt%，证明该方法制备出了高密度的铂SMACs。

图2 单层MoS2中铂SMACs的原子结构

图3 双层MoS2中铂SMACs的原子结构

单层MoS2薄膜中铂SMACs的形貌表征表明，大部分铂原子正好位于晶界处，形成了一个单原子链，还有少量分散的铂原子填充在MoS2的原生空位中。此外，SMACs中的Pt-Pt键比普通Pt金属中的大，证明高度有序的铂SMACs具有独特的结构。研究人员还进一步研究了双层MoS2中铂SMACs的性质，证明双层MoS2有助于减少SMACs中金属原子间的应变。

图4铂SMACs的生成机理

研究人员使用DFT理论计算探究铂SMACs的形成机理。研究发现，铂原子在MoS2边界处的化学吸附在能量上是最为有利的，而这个过程随着MoS2晶体的生长而进行动态演化。

图5 铂SMAC的电子结构

铂SMACs的电子云分布表明，除了硫原子和铂原子之间的定域键合电子，相邻铂原子之间还存在大量非定域电子密度，这使SMACs可以成为电子输运通道，即具有导电性。

具有铂SMACs的MoS2基场效应晶体管的器件性能研究表面，其电导率比纯MoS2高两个数量级，证明了铂SMACs的金属性。铂SMACs的特殊性质为研究Tomonaga-Luttinger液体和电荷密度波等物理学难题提供了一个全新的模型系统。

总结与展望

综上所述，研究人员们开发了一种简单有效的化学气相共沉积策略，用来制备具有优良稳定性的晶圆级铂SMACs网络并广泛探索了其在单层和双层MoS2薄膜中的原子结构和电子特性。DFT理论计算和实验结果揭示了铂SMACs的生长过程与机理。本文的共沉积方法被成功地扩展到钴SMACs的制备中。研究者发现铂SMACs的金属性行为源于铂电子云的大量重叠，这可以促进原子级厚度的薄膜通过SMAC网络的渗流进行电子传导。

本文为日后实现大规模制造具有空气稳定的SMAC奠定了基础，并为其他基于一维纳米结构的物理学研究提供了全新的研究平台。