近日，北京交通大学理学院光电子技术研究所王永生教授课题组将两种不同的单原子层物质像积木一样进行堆叠，从而得到了一种新的物质。这种由单层石墨烯与单层二硫化钨组成的新物质可以应用于太阳能电池以及柔性光电子器件。该研究成果发表在11月25日的《自然-通讯》杂志上【Nature Communications5,Article number:5622 doi:10.1038/ncomms6622】。

 

人类试图合成具有协同性的功能性材料由来已久。但将两种仅有单原子层厚度的材料合在一起是一个艰难的任务。其最大的困难是由于不同材料在其表面的原子分布不同，所以绝大多数的材料不能粘合在一起。因此，新的材料只能有具有十分相似的原子分布的材料组合而成，而原子分布相似的材料往往具有相似的特性，因而不能够形成互补。

 

 

课题组研究人员采用层状晶体来解决这一难题。传统材料中的原子在每个方向上都受到很强的束缚力，而层状晶体材料的原子在单独的原子层内受到很强的束缚力，而在两层之间通过一种叫做“范德瓦耳斯力”的微弱作用力连在一起。由于层与层之间的作用力较弱，因此可以任选两种材料，并将一种材料都放到另外一种材料的上面。这种方法可以将更多的材料粘合在一起，从而制造数量可观的新材料，进而改变整个材料科学界。

 

课题组研究人员利用透明胶带，采用机械剥离的方法从石墨晶体上制备出单层的石墨烯，并转移到一种硅的衬底上。然后，利用相同的方法得到单层的二硫化钨。在显微镜的辅助下，可以精确地将石墨烯覆盖到二硫化钨上。为了去除制备过程中引入的不必要的杂质，该材料被加热到260摄氏度处理半小时。这种方法可以使两层之间的作用力将杂质挤出去，从而留下一个干净的表面。

 

论文第一作者、北京交通大学理学院光电子技术研究所博士研究生何家琪，与美国堪萨斯大学的合作者一起对这种新型材料进行了超快激光光谱的测量，发现在1皮秒（1万亿分之一秒）内，从激光脉冲中吸收能量的电子几乎全部从二硫化钨转移到石墨烯中。众所周知，石墨烯拥有极高的电子迁移率，而单层的二硫化钨可以高效吸收太阳光并将其转化成电能。这种新型材料可以结合这两种特性，有效提高太阳能电池的性能。研究人员正在对其他类似材料进行深入研究。该项工作对于实现高性能二维半导体器件提供了一条有效途径。

 

该项研究得到国家重点基础研究发展计划(973计划） 2011CB932700项目和国家自然科学基金重点项目（61335006）、面上项目（61378073）及北京交通大学“信息科学与技术创新引智基地”项目的资助。