ACS Nano: O3处理PdSe2二维材料

纳米技术

2020-05-01

二维过渡金属硫化物中的原子缺陷位点通常对材料的物理和化学性质起到关键作用，通过在二维材料中控制形成缺陷，能够对二维过渡金属硫化物的性能进行调控。比如硫缺陷位点会引起晶体结构转变，进而产生铁磁性/超导性。但是目前报道的硫缺陷处理方法通常经过后处理方法实现，射线照射方法/Plasma处理方法则会产生较高温度（>500 ℃），或者会导致结构的破坏。西华师范大学宋婷婷、深圳大学、新加坡国立大学等报道了一种60 ℃中在二维PdSe₂材料中O₃部分氧化处理少量缺陷的方法，并在保证材料的稳定性同时引入位错结构。作者通过XPS，扫描隧道显微镜，密度泛函理论等方法对材料中原子级别的部分氧化作用/化学结构稳定性进行研究。作者通过相关实验发现氧掺杂作用能够有效的控制PdSe₂的电学、光电性能、催化性能。本工作为调控二维过渡金属硫化物材料的物理化学性能和其在纳米电子学/光电化学/电催化中的应用提供了方法。

本文要点：

（1）材料合成步骤。通过PDMS胶带从体相PdSe₂材料中剥离薄层PdSe₂，随后将薄层PdSe₂转移到SiO₂/Si基底上（SiO₂的厚度为285 nm），随后在PdSe₂上旋涂PMMA，通过电子束刻蚀，并气相沉积Ti/Au（5/60 nm）电极。通过O₃臭氧对PdSe₂材料处理（在60 ℃中以3 cc/min的O₃对材料进行处理），通过EDS方法测试O₃处理对样品的修饰作用（与BN保护的免于O₃处理的PdSe₂进行对比）。通过XPS、ToF-SIMS测试方法发现O成功掺杂到PdSe₂材料中（掺杂浓度达到10¹³ cm^-2），这种界面氧化作用实现了空穴掺杂作用。Raman测试结果显示，O₃处理后，在620 cm^-1出现了一个之前未出现的峰，对应于Pd-O的振动（与之前报道的相关Pd-O峰相比，有20 cm^-1偏移）。通过氧掺杂，实现了PdSe₂光电晶体管的光闸效应、负光电导现象。O₃处理的PdSe₂光电流作用提高了~10倍。O₃处理的材料在大气环境中比较稳定，I-V测试结果显示暴露大气环境后，材料的I-V性能没有较大变化。

（2）电催化性能测试。在0.5 M H₂SO₄酸性溶液中进行电催化测试，并与Ag/AgCl，Pt片组成三电极测试系统。作者发现，PdSe₂材料基面上的大量氧掺杂位点能够作为催化活性中心应用在电催化HER反应中。电化学阻抗测试结果显示，O₃处理后，PdSe₂材料的电荷转移电阻显著降低为11 Ω，未处理的PdSe₂材料电荷转移电阻未15 Ω，有效的促进了电催化HER反应。

参考文献

Qijie Liang, Qian Zhang, Jian Gou, Ting Ting Song, * Arramel, Hao Chen, Ming Yang, Sharon Xiaodai Lim, Qixing Wang, Rui Zhu, Nikolai Yakovlev, Swee Ching Tan, Wenjing Zhang, Konstantin Novoselov, and Andrew T. S. Wee

Performance Improvement by Ozone Treatment of 2D PdSe2，ACS Nano 2020,

DOI: 10.1021/acsnano.0c00180

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c00180