Nature Reviews Chemistry综述：二维材料的插层带来新兴电子相转移

插层是诱导过渡金属二硫属化物 (TMDs) 相变的有力工具。然而，只有锂离子 (Li⁺) 插入 MoS₂或WS₂诱导的半导体 2H（六方）相到金属 1T（八面体或半金属 1T′，扭曲八面体）相的转变是众所周知的。

康奈尔大学的 Judy J. Cha 领导的团队在 ACS Nano 上撰文报道了在 1T′-MoTe2 中电化学 Li⁺ 插入过程中出现的新兴相变，从而发现了两个之前未报道过的电子相——轻度锂化相 I 和重度锂化相 II（ACS Nano 18, 17349–17358 (2024)）。

来自卡尔加里大学的研究人员，对该文章进行了点评，相关文章以《Ions go in and new phases appear》为题发表在《Nature Reviews Chemistry》期刊上，文章链接：https://doi.org/10.1038/s41570-024-00637-8。

研究者在电化学微反应池（见图中 b 部分）中进行了 Li⁺ 插入，其中 1T′-MoTe₂ 纳米薄片作为阴极，一小片锂金属箔作为阳极，复杂的分子混合物作为电解质。电极和电解质被封装在一个透明的盒子里，盖玻片作为顶盖，SiO₂/Si 芯片作为底部基板。这样的微电池不仅可以提供完整的电路来实现电化学插入，还可以进行原位电化学和光谱测试。

通过对制造的电化学电池进行恒电流放电实验，他们观察到了与初始 1T′ 相截然不同的新相（I 和 II）。当施加的插层电压 (V_EC)为 0.7 V 时，相 I 出现，其证据是拉曼光谱中 A_g 峰在 ~78 cm^–1 处消失，峰在 ~85 cm^–1 处出现。而当 V_EC 为 0.4 V 时，相 II 出现，其特征是在 ~17、109 和 133 cm^–1处出现了更多新的拉曼峰。

此外，他们利用原位单晶 X 射线衍射(XRD) 和原位透射电子显微镜 (TEM) 发现了新阶段与原始 1T′ 阶段之间原子结构的差异。XRD 图案表明，与原始 1T′ 相相比，锂化相的层间距增大，而 TEM 图像表明，这种变化是由于锂化相的平面晶格对称性变化引起的。

原位拉曼和XRD 数据也表明相变的可逆性——在去除施加的 V_EC后，锂化 1T′-MoTe₂ 纳米片恢复到其原始 1T′ 相。

为了研究不同相之间的电子特性差异，研究人员在 Li⁺ 插层过程中进行了两端电流-电压测量和原位霍尔测量（在施加恒定电流和磁场时进行的一系列电压测量）。结果表明，与原始相相比，锂化相 II（或锂化相 I）的电阻显著（或适度）增加，霍尔载流子密度降低，表明在锂化相从半金属转变为半导体时，带隙打开。

总的来说，这项工作在 1T′-MoTe₂ 中引入了两种之前未报道过的相，这些相是由 Li⁺ 插入引起的。新相表现出与原始半金属性质不同的半导体特性，开辟了该材料在半导体器件中的应用。

值得注意的是，前不久（5月16日），本文第一兼通讯作者-杨锐捷刚以第一作者身份在《Nature Reviews Chemistry》期刊上发表题目为《Intercalation in 2D materials and in-situ studies》的封面文章。下面对该文章进行简短解读。

在 2004 年发现石墨烯后的短短几年内，二维 (2D) 材料成为了材料研究的一个热点领域。这些二维材料彻底改变了当前研究的许多方面，特别是在新兴物理学、光电器件、催化、电池等领域。这些材料具有各向异性键合的特点——层内有强共价键，层间有弱的范德华 (vdW) 相互作用。这种各向异性的性质使得插层在二维材料中变得可行。这里，插层是指将外来物质（原子，离子，或分子）插入到2D材料层间或其vdW异质结构中。

原子、离子和分子的插层是调整二维 (2D) 材料特性的有力工具。使用此工具，二维材料的层间相互作用、面内键合构型、费米能级、电子能带结构和自旋轨道耦合等属性可以得到有效的调控，从而引起二维材料的光子、电子、光电子、热电、磁性、催化和能量存储相关的性质变化。这意味着插层是提升二维材料在当前和未来应用中的有力工具。原位成像和光谱技术是可视化和追踪插层过程的有效手段，为破译重要且常常难以捉摸的插层动力学、插层化学力学，和插层机理提供了机会。