普渡大學&蘇州大學Nat. Mater.：首次合成五邊形二維材料！

一、【科學背景】

隨著二維材料研究的深入，研究人員逐漸關注到五邊形結構作為一種重要的二維材料形式。傳統上，大多數二維材料的基本結構單元為六邊形，這種六邊形結構的材料如石墨烯和過渡金屬二硫化物（TMDCs）已經得到了廣泛的研究，并在電子學、光電學和熱電學等領域展現出優異的性能。然而，五邊形結構作為另一種具有潛力的二維材料形式，近年來引起了科學界的廣泛關注。五邊形結構的二維材料具有獨特的性質和應用潛力。由于正五邊形無法平鋪整個平面，五邊形二維材料通常形成褶皺的層狀結構，這種結構不僅具有低晶體對稱性，還引入了顯著的面內各向異性和低熱導率。這些特性使得五邊形二維材料成為未來各向異性電子學和熱電學的有前景材料。此外，五邊形材料的褶皺結構導致了鍵長和角度的重整化，使其厚度減少，柔性增加，這對柔性設備和可穿戴電子產品具有重要意義。然而，盡管理論上預測了大量的五邊形二維材料，實際中存在許多問題—許多五邊形材料處于亞穩態，導致其直接合成和穩定性較差，從而限制了它們的實際應用和研究。

二、【創新成果】

近期，美國普渡大學陳勇教授、Dmitry Y. Zemlyanov教授以及蘇州大學李有勇教授在Nature Materials上發表了題為“A metastable pentagonal 2D material synthesized by symmetry-driven epitaxy”的論文，報道采用了對稱驅動的外延生長方法，首次成功合成了亞穩態單層五邊形PdTe₂。通過對稱驅動外延合成技術，研究人員在Pd(100)基板上直接合成了五邊形PdTe₂，這一過程利用了基板的晶格匹配來穩定五邊形相。隨后研究人員采用STM、LEED和XPS等多種手段全面驗證了五邊形PdTe₂的原子結構、層厚度和晶格振動模式。研究表明理論計算與實驗結果一致，揭示了該材料為具有1.05 eV間接帶隙的半導體。

?

圖1? 單層六邊形和五邊形PdTe₂的合成 ? 2024 Springer Nature

圖2? 單層五邊形 PdTe₂的聲子譜 ? 2024 Springer Nature

圖3? 生長后的單層五邊形 PdTe₂的STM和LEED測量 ? 2024 Springer Nature

圖4? 在不同偏置電壓下的實驗和模擬STM圖像 ? 2024 Springer Nature

圖5? 單層五邊形PdTe₂的能帶結構 ? 2024 Springer Nature

三、【科學啟迪】

綜上，本研究揭示了通過對稱驅動外延合成亞穩態單層五邊形PdTe₂的成功案例，為五邊形二維材料的合成和應用開辟了新的路徑。盡管五邊形二維材料在理論上具有廣泛的預期應用，如高強度、量子自旋霍爾效應和低熱導率等，但其實際合成和穩定性仍具有較大的挑戰性。通過精準的外延生長技術，本研究成功實現了單層五邊形PdTe₂的合成，并通過STM、LEED、XPS和ARPES等多種表征手段確認了其結構和性能。這一突破不僅驗證了五邊形二維材料的穩定性，還證明了其在半導體領域的潛力，具有1.05 eV的間接帶隙，符合實際測量結果。這一工作，為基于五邊形的2D材料合成開辟了新路徑，并為探索多功能納米電子學等應用提供了機會。

原文詳情：A metastable pentagonal 2D material synthesized by symmetry-driven epitaxy (Nature Materials 2024, DOI: 10.1038/s41563-024-01987-w)

本文由賽恩斯供稿。