過渡金屬碲化物納米材料概述

何亮 王浩 馮海奎 耿春杰 王紅宇

納米材料在微觀尺度上所擁有的優異性質，使過渡金屬硫族化合物在物理化學合成的納米材料領域占據一席之地。其具備典型的二維層狀晶體結構廣泛應用于光電、電子通訊、航天醫療等領域，而碲化物作為這個“家族”中的一份子，因其在拓撲絕緣體、熱電材料、磁電材料等領域被各國科研人員廣泛研究，本文旨在對碲化物納米材料的研究現狀發展做個簡單探討。

1納米材料

納米材料由于在微觀結構上的獨特尺寸及形貌，通常表現出非比尋常的性質，以致使在各個領域都是爭相研究的熱點。相較于塊體材料而言，納米尺寸的大小、體表面積的大小往往受量子效應的影響而展現出不同的性質。經過研究人員的研發設計出來的納米材料正在應用于人們日常生活的各個領域，由于納米技術的引入，會使手機屏幕透光率、扛彎能力、油漆著色率、衣服防污能力、合成骨骼更密實等等。而一維銻化物又是其中重要的研究對象之一，通常制備方法涉極其豐富：水熱法、溶劑熱法、高溫固相法、化學沉積、磁控濺射法等等。

2過渡金屬硫族化合物

近年來，繼層狀結構材料石墨烯的興起，研究人員致力于二維層狀結構材料的探索。碲元素在元素周期表中處于金屬與非金屬元素交界處，在一定反應條件下是非常好的半導體材料，如圖一所示[1]。

碲化物是碲與金屬或非金屬元素的化合，較同一族的化合物而言，研究相對較晚，但挖掘潛力卻很高。眾所周知，同族元素，依次而下金屬性表現越強，但化合物穩定性越差。而恰巧碲元素相較于同族元素中的硫、硒而言，反應活性是最低的，也是對碲化物前期研究進展緩慢的原因之一。過渡金屬硫屬化合物簡稱TMDs，是一類有別于其它半金屬化合物的二維層狀材料，其性質隨著參入元素的不同而表現出不同的性質，可以是半導體材料（MoS2）也可以是半金屬（WTe2）也是金屬（NbS2）還能是超導體（NbSe2）。過渡金屬硫屬化合物伴隨著晶體結構、晶體堆積方式的改變其性質也會發生相應變化。這一奇異的特性，使之TMDs成為全世界各國科研人員所關注的焦點，在光學器件、太陽能電池、催化劑、電子元件等領域已得到廣泛應用[2]。

過渡金屬碲化物二碲化鎢（WTe2）作為“家族”成員之一，除其擁有的一般特性之外，還具備自身非比尋常的物理化學特性。2014年Ali等人發現在特殊環境下WTe2居然表現出異常強大的磁電阻，從此便成為熱點研究之一。WTe2被發現成為第一個非飽和磁電阻材料，單層WTe2也具有量子自旋霍爾絕緣體性能。與此同時Pan等人也發現WTe2在高壓極端條件下也會產生超導性。同時還發現手性異常引起的磁電阻效應在電子元件上。這些奇特的性質也成為WTe2被廣泛研究的原因[2]。

3碲化物納米材料發展

水熱法因其制備簡便、無毒無污染對環境親和力強的特點被各類科研人員首選考慮。而碲化物作為2011年被美國材料基因組計劃被評為兩種最重要的元素之一。從最早2003年在常溫常壓下合成出一維的碲納米棒，但由于其合成時間較長在此之后便不斷優化反應參數，使之碲化物的研究成果如同雨后春筍般不斷呈現在人們眼前[3]。

與此同時，Yu等人也采用了水熱法，更換實驗原料，選取Na2TeO3和水合肼在180℃下僅需要4h便可以得到高質量的碲納米線。從中可以看出，反應速率的提高將導致生產效率的提高，單量的高效生產如何轉化為工業級別的量化生產，這又是一次對納米材料又一的偉大嘗試。

除單一碲納米線結構外，研究人員在納米碲化物種也有相當大的研究成果，Bi3Te2、AuTe2、AuAg3Te2、Bi2Te2S等等又在碲化物中扮演著重要角色。

拓撲絕緣材料較一般絕緣體而言，它本非傳統意義上的絕緣，而在其材料內部的電子態與絕緣態的相互轉換，不易受外部雜志電子的干擾。目前拓撲材料的研究在于碲化物的摻雜元素之后的磁性研究。

復合材料較單一材料而言，因具備單一材料多出一種或兩種以上的優異性質，綜合兩種復合材料的獨特性質。而又在獨特的界面處又具有自身特殊性質成為各個領域的研究熱點。2010年，J.H.Yim等人將Bi、Pb、Te三種元素通過高溫固相法直接混合燒結，研究了Bi2Te3-PbTe復合材料的微觀結構和熱電性能，觀測到樹狀層疊結構，認為存在相分離的亞穩定三元相。但由于其主要物質成分為PbBi2Te4，并沒有成功制備Bi2Te3-PbTe復合物，但也為后續研究做了鋪墊。2012年，S.Sumithra等人采用溶劑熱法成功制備了Bi2Te3-PbTe納米材料。與此同時，Cava小組的研究人員也采用固相法成功燒結了由Fe、Se、Bi三種元素復合的層狀Fe7Se8和Bi2Se3材料。2013年，梁貝貝等人采用水熱法放電等離子體燒結出石墨烯與Bi2Te3的復合材料，表明在特定溫度下燒結后的復合材料，比單一純凈材料的熱電優質系數高31%[4]。

綜上，就目前而言，拓撲絕緣體和金屬碲化物以納米材料研究為主，塊體復合材料則較少研究，但為單晶復合材料的制備研究提供了新的思路。

總結

碲化物納米材料的開端從一維納米棒到一維納米線，再從一維納米線到二維層狀結構的研究探索中采用了各種物理化學合成方法，而碲化物雖較同族化合物研究較不完備，其中有其反應活性較低的因素，但隨著研究的進展，發現其在熱電磁電阻材料、拓撲絕緣體中具有強大潛力，也將在未來有望成為新一代納米材料。

參考文獻：

[1]Chhowalla M， Shin H S， Eda G， et al. The chemistry of two-dimensional layered transitionmetaldichalcogenidenanosheets[J].Naturechemistry，2013，5（4）： 263-275.

[2]Ali M N， Xiong J， Flynn S， et al. Large， non-saturating magnetoresistance in WTe 2[J]. Nature， 2014， 514（7521）： 205.

[3]Liu Z， Hu Z， Xie Q， et al. Surfactant-assisted growth of uniform nanorods of crystalline tellurium[J]. Journal of Materials Chemistry， 2003， 13（1）： 159162.

[4]Li H， Song Y R， Yao M Y， et al. Carriers dependence of the magnetic properties in magnetic topological insulator Sb1. 95-x Bi x Cr0. 05Te3[J]. Applied Physics Letters， 2012， 101（7）： 072406.