第一作者：Tumesh Kumar Sahu、Nishant Kumar、Sumit Chahal
通讯作者：Prashant Kumar、Alpana Nayak、Ilia Valov
通讯单位：印度巴特那理工学院、德国于利希研究中心
论文doi：
https://doi.org/10.1038/s41565-023-01484-2
01
研究背景
狄拉克材料的特征在于其低能激发光谱中出现了服从狄拉克哈密顿量的无质量准粒子。已知的狄拉克材料包括拓扑绝缘体，d波超导体，石墨烯，Weyl/Dirac半金属等，它们具有潜在颠覆性应用。然而，迄今为止发现的狄拉克材料都没有表现出金属特性。
02
本文亮点
1.本工作制备了一种仅由Mo原子组成的新型二维材料——自支撑钼烯。该材料以MoS2为前驱体，通过微波辐射下电场辅助生长而成。
2.本工作观察到螺位错生长后形成毫米长的晶须，由弱结合的钼烯片组成，剥离后呈现金属性，电导率为~940 S m-1。当钼烯与二维h-BN或MoS2杂化时，可以获得可调的光学和电子性质。
3.本工作还展示了钼烯作为表面增强拉曼光谱平台进行分子传感、作为电子成像的基底和作为扫描探针显微镜悬臂(cantilever)等方面的应用。
03
图文解析
图1. 钼烯的实验实现
要点：
1、本文采用微波场诱导MoS2的电化学变化合成了钼烯。场发射扫描电子显微镜(FESEM)结果表明，晶须为具有大表面积的层状材料。
2、这些晶须在使用Scotch胶带剥离后，在FESEM图像中观察到了原子级光滑的金属Mo原子片。AFM图像表明：在薄片的边缘处形成了由原子层组成的阶梯状特征(图1d)。
3、在表面，观察到了螺旋位错介导的台阶状生长的证据，台阶高度为0.4 nm，典型的单晶单层(图1e)。这种生长模式在GaN和MoS2中已有报道。图1f所示为Scotch带剥离并转移到硅衬底上的钼烯层(厚度~0.5±0.05 nm)的形貌图像。
图2. 结构细节和电子特性
要点：
1、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)发现钼烯片完全由Mo原子(图2a,b)组成，且样品高度结晶(图2c)。样品中存在两个不同的特征结构：一个具有四重对称性的突出相和另一个具有应力调控六重对称性的突出相。
2、拉曼光谱进一步对剥离步骤进行了表征。所制备的材料在284.01 cm-1、364.5 cm-1和819 cm-1处出现拉曼峰，对应于表面氧化物(图2e)。连续剥离后，这些峰的强度降低。此外，经过8个这样的去顶层剥离步骤后，在405 cm-1处观察到纯金属(Mo-Mo)的特征拉曼峰和~810 cm-1处的二次谐波峰。
3、为了理解层数对拉曼峰位置的影响，进行了进一步的剥离，发现810 cm-1峰发生了位移，并且对层数非常敏感(图2f)，而405 cm-1峰位移不大。层数较少的薄片具有较少的层间耦合；但是，它们与硅衬底的耦合性更好。
图3. 原子分辨率HAADF-STEM成像
要点：
1、使用高角环形暗场-扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM) 对薄金属片进行了研究(图3a,b)，发现多个矩形原子层以堆叠的方式排列在其他原子层之上(图3a)，证实了钼烯原子片的形成。
2、通过连续Ar等离子体刻蚀表面层后进行的HAADF-STEM成像，探索了钼烯的晶体结构演变。虽然本工作的理论计算证实了实验结果，即六方相并不稳定且很少被观察到，但四重对称性是观察中的一个常见特征。通过对悬挂在铜网上的自支撑钼烯薄片进行了原子级成像，本文给出了样品的准确结构(图3c,d,g,h)。
3、本文清晰地观察到了自由悬挂在空位(图3i,j)上的薄片的厚度变化，并且在各个不同层数薄片（包括单层）中都观察到了原子间距离为0.33-0.36 nm的方形晶格。
图4. 钼烯的应用
图5. 基于钼烯的2D-2D杂化物
要点：
1、本工作将具有适当尺寸的钼烯薄片粘合到硅芯片上制作了用于AFM的悬臂梁(图4a)。该悬臂梁最显著的特点在于它们是由具有面内共价键和面间范德华相互作用的层状材料组成的。
2、制作的悬臂梁共振频率约为135 kHz，Q因子约为160(图4b)。这些数值与市售悬臂梁的数值非常吻合。利用制作的悬臂梁获得了栅距为10 µm(图4c,d)的标准硅校准光栅、具有原子分辨台阶高度的钼烯片表面(图4e,f)和氧化石墨烯表面(图4g,h)上的DNA链的形貌图像，与商用样品的形貌图像相当。
3、多壁碳纳米管在玻璃基底上的FESEM成像经常出现荷电现象，这导致图像的对比度很差(图4k)。然而，通过将钼烯作为多壁碳纳米管FESEM成像的锚定基底来抑制荷电，可以看到清晰的形貌对比(图4l)。
4、M-BN杂化物的拉曼光谱显示出同时对应于钼烯(M)和BN的峰(图5a)。M-BN杂化物的照片如图5a所示。在这些新的范德瓦尔斯杂化层中，由于强的静电层间耦合，观察到了钼烯的结构调制和重构。
5、值得注意的是，构成二维材料杂化体的相邻原子片之间的层间耦合在触发原子结构演化/重构中的作用至关重要。沿两个对称方向(图5f,g)，发现0.35 nm的平均原子间距离相等。由Tauc图确定的光学带隙(Eg)为~3 eV(图5h)。电学和光电测试证实了M-BN杂化物的半导体性质(图5i)。
04
结语
本工作通过简单的一步合成策略制备了一种新的二维狄拉克单质材料，本工作称之为钼烯。通过在环境加工条件下对初始的钼烯晶须进行机械剥离，可以在几秒内轻松地获得大面积的具有原子级平整表面的自支撑钼烯薄片。此外，h-BN和MoS2的2D-2D杂化材料可以实现结构和性能的可调。本工作证明了钼烯作为扫描探针显微镜悬臂梁在成像和化学检测以及基于化学和SERS的分子传感方面的成功应用。富电子的钼烯适用于成像平台，有望成为化学反应中优良的催化剂。本研究有望启发基于钼烯的电子器件和化学传感器。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41565-023-01484-2
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