超薄涂层可以保护2D材料免受腐蚀

CAMBRIDGE, MA –由于暴露在氧气和水蒸气中会迅速降解，因而使得许多具有光学、电子或光电应用前景的二维材料的使用受到了阻碍。到目前为止，在2D材料上所使用的防护涂层已被证明是昂贵的和有毒的，且无法被去除。

现在，麻省理工学院和其他地方的研究人员已经开发出一种超薄的涂层，它价格便宜，使用简单，且可以通过特定的酸来去除。

（图片由研究人员提供）

研究人员说，这种新涂层可能会为这些2D材料开辟处广泛的应用前景，他们的发现发表在《美国国家科学院院刊》上，论文由麻省理工学院的研究生Su Cong、Li Ju教授、Kong Jing教授、Mircea Dinca教授和Hu Juejun教授，以及麻省理工学院、澳大利亚、中国、丹麦、日本和英国的其他13人共同撰写。

李教授说，对二维材料的研究是一个“非常活跃的领域”，这种材料可以形成只有一个或几个原子厚度的薄片。由于其不同寻常的电子和光学特性，这些材料有很好的应用前景，例如高灵敏度的光探测器等。但其中许多物质，包括黑磷和一类被称为过渡金属二硫化物(TMDs)的物质，在暴露于潮湿空气或各种化学物质时都会腐蚀。它们中的许多物质在短短几小时内就会严重退化，从而无法在实际应用中使用。

“这是开发此类材料的关键问题”，李教授说，“如果你不能在空气中稳定它们，它们的处理能力和用途则是有限的”。他还说，硅之所以成为电子设备中无处不在的材料，原因之一是当暴露在空气中时，它会在表面自然形成一层二氧化硅保护层，防止表面进一步退化。但是对于这些原子厚度的材料来说，这就更困难了，它们的总厚度甚至可能比二氧化硅保护层还小。

人们曾尝试在各种2D材料上涂上一层保护屏障，但迄今为止，它们都存在严重的局限性。大多数涂层比2D材料本身要厚得多，多数还很脆，易形成裂缝，让腐蚀的液体或湿气通过。而且许多涂层还具有毒性，会产生废弃物处理和处置的问题。

研究人员说，这种新涂层基于一系列被称为线性烷基胺的化合物，并改善了其缺点。这种材料可以应用在只有1纳米(十亿分之一米)厚的超薄涂层上，在应用后对材料进行进一步加热，使微小的裂缝愈合，从而形成了一个连续的屏障。该涂层不仅不受各种液体和溶剂的影响，且有效阻挡了氧气的渗透。而且，需要的话，还可以使用某些有机酸进行去除。

“这是一种独特的”保护薄的原子薄片的方法，李说，它产生了一个额外的单分子厚度的层，称为单层，可以提供非常持久的保护。“这使材料的寿命延长了100倍”，并将其中一些材料的加工能力和可用性从几个小时延长到了几个月。他补充说，这种化合物涂层“非常便宜，且容易使用”。

除了对这些涂层的分子行为进行理论建模外，该团队还用新涂层保护的TMD材料薄片制作了一个工作用的光电探测器，用于概念验证。涂层的材料是疏水性的，否则会扩散到涂层内部，并溶解掉涂层内自然形成的氧化保护层，从而导致腐蚀快速发生。

苏解释说，涂层的应用是一个非常简单的过程。将2D材料放入液态己胺(线性烷基胺的一种形式)中，在常压和130°C的温度下，大约20分钟后便形成了保护涂层。然后，为了产生光滑的、无裂纹的表面，继续将材料在相同的己胺蒸汽中暴露20分钟即可。

苏说：“你只要将薄片放入这种液体化学物质中，然后让它加热就可以了。基本上就是这样。”涂层“是非常稳定的，但它可以被某些特定的有机酸去除。”

这类涂层的使用可能会为2D材料开辟新的研究领域，包括TMDs和黑磷，但也可能是硅烯、stanine和其他相关材料。由于黑磷是所有这些材料中最脆弱和最容易降解的，这就是该团队最初要用它来验证概念的原因。

苏说，这种新的涂层可以克服“使用2D材料的第一个障碍”。他说：“实际上，在你要将2D材料应用于任何应用之前，都需要处理工艺中的降解问题。”而现在，这一步已经完成。

该研究团队包括麻省理工学院的核科学与工程系、化学系、材料科学与工程系、电气工程系和计算机科学系的研究人员、电子研究实验室的研究人员，以及其他在澳大利亚国立大学、中国科学研究院、丹麦奥胡斯大学、牛津大学、日本信州大学的研究人员等等。该项目工作也得到了来自美国能源部资助的Excitonics中心和能源前沿研究中心、国家科学基金会、中国科学院、英国皇家学会、美国陆军研究办公室支持的麻省理工学院士兵纳米技术研究院和日本东北大学的支持。