研究背景
過渡金屬二硫族化物（TMDCs）是一類具有高度可調性和各向異性的半導體材料，在電子和光學器件等領域具有重要應用。與傳統的半導體材料相比，TMDCs具有獨特的層狀結構，在納米尺度下表現出優異的電學和光學性能。因此，TMDCs被廣泛研究，并且在柔性電子、光電傳感器、催化、能源存儲（如電池和超級電容器）等多個領域展現出巨大的潛力。然而，盡管TMDCs的應用前景廣闊，但現有的生長和制備方法仍面臨諸多挑戰。現有的機械剝離和液相剝離等技術適用于實驗室小規模制備，但難以滿足大規模生產的需求。此外，化學氣相沉積（CVD）和原子層沉積（ALD）等方法雖然能實現高質量的單層或少層TMDCs薄膜，但往往需要后續的刻蝕和圖案化工藝，這些過程不僅耗時、成本高，而且可能引入缺陷和污染，影響材料的性能。
為了解決這一問題，南安普頓大學（University of Southampton）Philip N. Bartlett，Gillian Reid等人在“Nature Reviews Chemistry”期刊上發表了題為“Performance metrics and mechanistic considerations for the development of 3D batteries”的最新綜述。該團隊總結了通過電沉積方法生長金屬二硫族化物材料的現狀，并提出了一種新穎的、能夠實現精確控制的電沉積生長策略。該研究利用電沉積法將TMDCs材料直接沉積到預定義的區域，避免了傳統CVD和ALD方法中需后續刻蝕和圖案化的繁瑣步驟，并能提高材料的質量和可控性。
本文通過優化電沉積工藝中的分子前驅體、溶劑和電極設計等因素，研究團隊成功實現了對TMDCs薄膜的精確控制，獲得了高質量的單層或少層TMDCs材料。該技術不僅突破了現有的生長方法限制，也為TMDCs在大規模生產中的應用提供了新的思路和方向，具有廣闊的應用前景。
文章亮點
1）總結了過渡金屬二硫化物（TMDCs）的特點及其應用前景，指出TMDCs作為二維層狀半導體材料，因其獨特的層依賴性物理特性而廣泛應用于電子、光電、傳感器等領域。通過對TMDCs的晶體結構和層間相互作用的分析，揭示了其可調性和各向異性特性，尤其是在單層或少層材料中表現出不同的電子性質。
2）綜述了二維TMDCs的生長方法，特別是電沉積法在大規模生產中的應用潛力。文章分析了現有的CVD、ALD等技術的優缺點，并討論了電沉積法在區域選擇性生長中的優勢。
3）重點介紹了電沉積方法如何在預定義的基板區域上生長高質量的TMDC層，解決了現有生長技術中多核生成和非單晶問題。同時，提到了單源前驅體（SSP）和納米帶電極的電化學生長技術，為高精度的材料合成提供了新的發展方向。
圖文解讀
圖1: 二維2D層狀過渡金屬二硫屬化物transition metal dichalcogenides，TMDC的晶體結構。
圖2: 用于電沉積的典型三電極電化學池裝置。
圖3: 從[TeCl6]2?還原中，沉積元素碲所涉及的分子種類。
圖4: 用于電沉積三元鍺銻碲合金的多源前驅體方法。
圖5: 用于二維過渡金屬二硫屬化物電沉積的單源前驅體實例。
圖6: 在導體上，二維過渡金屬二硫屬化物TMDC電沉積。
圖7:在絕緣體 (SiO2)上，從納米帶電極邊緣向外的二維過渡金屬二硫屬化物TMDCs各向異性生長。
結論展望
本文采用單源前驅體（SSPs）和弱配位溶劑可以實現對沉積電位和材料生長過程的精確控制，尤其在超薄2D層狀TMDCs的電化學生長中展現出良好的前景。這為電沉積法的擴展應用開辟了新天地，尤其是在電催化和能源領域。然而，當前仍面臨著前驅體選擇范圍有限以及在控制電沉積過程中生長特性方面的挑戰。為此，必須發展新的無機合成方法，創新前驅體和溶液的優化策略，從而提高TMDC材料的質量并拓展電沉積法的適用范圍。此外，優化電沉積過程中的成核和生長控制，尤其是對于單層生長的精確調控，仍是未來研究的重點。通過進一步研究電解液和電極界面的相互作用，以及溫度對結晶度的影響，可以為高質量TMDCs的制備提供理論支持。最終，這些進展將推動TMDCs在電子、光學以及納米電子器件中的廣泛應用。
原文詳情：
Bartlett, P.N., de Groot, C.H.K., Greenacre, V.K. et al. Molecular precursors for the electrodeposition of 2D-layered metal chalcogenides. Nat Rev Chem (2025). https://doi.org/10.1038/s41570-024-00671-6
https://www.nature.com/articles/s41570-024-00671-6
