过渡金属碲化物纳米材料概述

何亮 王浩 冯海奎 耿春杰 王红宇

纳米材料在微观尺度上所拥有的优异性质，使过渡金属硫族化合物在物理化学合成的纳米材料领域占据一席之地。其具备典型的二维层状晶体结构广泛应用于光电、电子通讯、航天医疗等领域，而碲化物作为这个“家族”中的一份子，因其在拓扑绝缘体、热电材料、磁电材料等领域被各国科研人员广泛研究，本文旨在对碲化物纳米材料的研究现状发展做个简单探讨。

1纳米材料

纳米材料由于在微观结构上的独特尺寸及形貌，通常表现出非比寻常的性质，以致使在各个领域都是争相研究的热点。相较于块体材料而言，纳米尺寸的大小、体表面积的大小往往受量子效应的影响而展现出不同的性质。经过研究人员的研发设计出来的纳米材料正在应用于人们日常生活的各个领域，由于纳米技术的引入，会使手机屏幕透光率、扛弯能力、油漆着色率、衣服防污能力、合成骨骼更密实等等。而一维锑化物又是其中重要的研究对象之一，通常制备方法涉极其丰富：水热法、溶剂热法、高温固相法、化学沉积、磁控溅射法等等。

2过渡金属硫族化合物

近年来，继层状结构材料石墨烯的兴起，研究人员致力于二维层状结构材料的探索。碲元素在元素周期表中处于金属与非金属元素交界处，在一定反应条件下是非常好的半导体材料，如图一所示[1]。

碲化物是碲与金属或非金属元素的化合，较同一族的化合物而言，研究相对较晚，但挖掘潜力却很高。众所周知，同族元素，依次而下金属性表现越强，但化合物稳定性越差。而恰巧碲元素相较于同族元素中的硫、硒而言，反应活性是最低的，也是对碲化物前期研究进展缓慢的原因之一。过渡金属硫属化合物简称TMDs，是一类有别于其它半金属化合物的二维层状材料，其性质随着参入元素的不同而表现出不同的性质，可以是半导体材料（MoS2）也可以是半金属（WTe2）也是金属（NbS2）还能是超导体（NbSe2）。过渡金属硫属化合物伴随着晶体结构、晶体堆积方式的改变其性质也会发生相应变化。这一奇异的特性，使之TMDs成为全世界各国科研人员所关注的焦点，在光学器件、太阳能电池、催化剂、电子元件等领域已得到广泛应用[2]。

过渡金属碲化物二碲化钨（WTe2）作为“家族”成员之一，除其拥有的一般特性之外，还具备自身非比寻常的物理化学特性。2014年Ali等人发现在特殊环境下WTe2居然表现出异常强大的磁电阻，从此便成为热点研究之一。WTe2被发现成为第一个非饱和磁电阻材料，单层WTe2也具有量子自旋霍尔绝缘体性能。与此同时Pan等人也发现WTe2在高压极端条件下也会产生超导性。同时还发现手性异常引起的磁电阻效应在电子元件上。这些奇特的性质也成为WTe2被广泛研究的原因[2]。

3碲化物纳米材料发展

水热法因其制备简便、无毒无污染对环境亲和力强的特点被各类科研人员首选考虑。而碲化物作为2011年被美国材料基因组计划被评为两种最重要的元素之一。从最早2003年在常温常压下合成出一维的碲纳米棒，但由于其合成时间较长在此之后便不断优化反应参数，使之碲化物的研究成果如同雨后春笋般不断呈现在人们眼前[3]。

与此同时，Yu等人也采用了水热法，更换实验原料，选取Na2TeO3和水合肼在180℃下仅需要4h便可以得到高质量的碲纳米线。从中可以看出，反应速率的提高将导致生产效率的提高，单量的高效生产如何转化为工业级别的量化生产，这又是一次对纳米材料又一的伟大尝试。

除单一碲纳米线结构外，研究人员在纳米碲化物种也有相当大的研究成果，Bi3Te2、AuTe2、AuAg3Te2、Bi2Te2S等等又在碲化物中扮演着重要角色。

拓扑绝缘材料较一般绝缘体而言，它本非传统意义上的绝缘，而在其材料内部的电子态与绝缘态的相互转换，不易受外部杂志电子的干扰。目前拓扑材料的研究在于碲化物的掺杂元素之后的磁性研究。

复合材料较单一材料而言，因具备单一材料多出一种或两种以上的优异性质，综合两种复合材料的独特性质。而又在独特的界面处又具有自身特殊性质成为各个领域的研究热点。2010年，J.H.Yim等人将Bi、Pb、Te三种元素通过高温固相法直接混合烧结，研究了Bi2Te3-PbTe复合材料的微观结构和热电性能，观测到树状层叠结构，认为存在相分离的亚稳定三元相。但由于其主要物质成分为PbBi2Te4，并没有成功制备Bi2Te3-PbTe复合物，但也为后续研究做了铺垫。2012年，S.Sumithra等人采用溶剂热法成功制备了Bi2Te3-PbTe纳米材料。与此同时，Cava小组的研究人员也采用固相法成功烧结了由Fe、Se、Bi三种元素复合的层状Fe7Se8和Bi2Se3材料。2013年，梁贝贝等人采用水热法放电等离子体烧结出石墨烯与Bi2Te3的复合材料，表明在特定温度下烧结后的复合材料，比单一纯净材料的热电优质系数高31%[4]。

综上，就目前而言，拓扑绝缘体和金属碲化物以纳米材料研究为主，块体复合材料则较少研究，但为单晶复合材料的制备研究提供了新的思路。

总结

碲化物纳米材料的开端從一维纳米棒到一维纳米线，再从一维纳米线到二维层状结构的研究探索中采用了各种物理化学合成方法，而碲化物虽较同族化合物研究较不完备，其中有其反应活性较低的因素，但随着研究的进展，发现其在热电磁电阻材料、拓扑绝缘体中具有强大潜力，也将在未来有望成为新一代纳米材料。

参考文献：

[1]Chhowalla M， Shin H S， Eda G， et al. The chemistry of two-dimensional layered transitionmetaldichalcogenidenanosheets[J].Naturechemistry，2013，5（4）： 263-275.

[2]Ali M N， Xiong J， Flynn S， et al. Large， non-saturating magnetoresistance in WTe 2[J]. Nature， 2014， 514（7521）： 205.

[3]Liu Z， Hu Z， Xie Q， et al. Surfactant-assisted growth of uniform nanorods of crystalline tellurium[J]. Journal of Materials Chemistry， 2003， 13（1）： 159162.

[4]Li H， Song Y R， Yao M Y， et al. Carriers dependence of the magnetic properties in magnetic topological insulator Sb1. 95-x Bi x Cr0. 05Te3[J]. Applied Physics Letters， 2012， 101（7）： 072406.