综述：过渡金属硫族化合物的一维和二维纳米结构：迈向功能性器件与可持续技术

《Materials Science and Engineering: B》：1D and 2D nanostructures of transition metal dichalcogenides: Toward functional devices and sustainable technologies

二维过渡金属二硫属化物（TMDs）的1D和2D纳米结构（如纳米管、纳米棒、纳米孔、纳米片）通过调控尺寸和形貌显著提升光学、电学、机械及化学性能，拓展其在电子器件、传感器、催化等领域应用。研究综述了TMD纳米结构的制备技术（自上而下/自下而上）及性能优化机制，并探讨了当前技术挑战与未来方向。

　　过渡金属二硫属化物（TMDs）近年来因其独特的多维结构和结构依赖的电子、机械、电催化及光学特性而受到广泛关注。这些特性使得TMDs在多种应用中展现出巨大的潜力，包括电子器件、传感、催化等。随着纳米结构的引入，TMDs展现出与原始材料不同的新特性，显著提升了其在不同电子平台上的性能。本文将重点探讨半导体TMDs的复杂一维（1D）和二维（2D）纳米结构，包括纳米管、纳米棒阵列、纳米孔和纳米片，并总结纳米结构对材料物理和化学特性的影响，这些影响主要取决于低维尺度和尺寸。同时，我们还将关注先进的纳米制造技术，涵盖自上而下和自下而上的方法。文章还将分析低维TMDs在各种应用中的贡献，包括电子、传感、催化等领域，并强调其性能的提升。最后，我们将概述当前在纳米结构半导体TMDs应用中面临的挑战和未来研究方向。

在二维（2D）TMDs中，单个X-M-X层通过共价键紧密连接，而层间则依靠较弱的范德华力维持。这里的M代表来自第四、第五或第六主族的过渡金属，X则是硫、硒或碲等二硫属元素。过渡金属的不饱和d轨道形成了特定的能带结构，从而赋予了这些材料独特的性质。TMDs不仅具有层依赖的能带可调性、原子级的薄度、强光-物质相互作用和高表面积体积比，还具有已被广泛认可的优越电学、光学和力学性能。通过将TMDs的层组装成不同的范德华异质结构，可以进一步增强材料的性能。这些独特的性质使TMDs成为多种应用的理想选择，特别是在未来芯片产业中，有助于延续摩尔定律。此外，TMDs半导体的实用性也推动了“更多摩尔”技术的发展，特别是在三维集成领域。

TMDs的纳米结构化是一种有效且可实现的方法，可以扩展其新特性和功能。通过各种纳米制造技术改变低维结构的几何形态，可以解锁TMDs的特殊性质，使其适用于广泛的应用场景。TMDs纳米结构的多样性和固有特性与其尺寸和形态密切相关。光与物质的相互作用受到二维材料纳米图案的显著影响。例如，在一维MoS?晶体中观察到比二维MoS?晶体高50 meV的光致发光（PL）。TMDs纳米带在锯齿形配置下表现出半导体特性，而在扶手椅形配置下则表现出金属特性。相比之下，它们的二维TMD单层结构均为半导体性质。随着TMDs纳米管的边缘配置从锯齿形转变为扶手椅形，可以观察到电子带隙从直接带隙向间接带隙的转变。此外，TMDs的纳米孔结构会引入亚带隙态，降低整体光学带隙，相较于原始材料，这为其在光电应用中提供了新的可能性。基于MoS?的纳米材料还具有优异的电化学性能和发光特性，进一步增强了其应用价值。

在原子尺度上，低维TMDs纳米结构（涵盖0D、1D和2D形式）因其在氢气生产、超级电容器、晶体管、电池和光伏等领域的潜在应用而备受关注。此外，各种先进的纳米图案化技术促进了这些纳米结构在电子和光电子芯片中的集成，使其在工业中得到了成功应用。例如，Park等人利用块体聚合物光刻（BCP）技术成功制备了大面积的纳米孔MoS?，并通过在集成器件中调控带隙，实现了高达10? A/W的高光响应性。随着纳米技术的发展，传统的传感方法得到了革新，利用低维TMDs的高表面积体积比、边缘功能以及可调的电子能态，开发出更先进、更灵敏和更选择性的传感器。通过调控TMDs的形态，实现特定的边缘暴露和边缘终止，对于提升电催化性能具有重要潜力。每种维度都展现出独特的属性，为多样化的应用提供了广阔的可能性。

本文将回顾近期在不同维度的纳米结构化TMDs半导体材料方面的进展，涵盖一维结构如纳米带、纳米线和纳米管，以及二维结构如纳米片和纳米孔。通过分析这些结构在不同领域的潜在应用（图1），我们希望揭示其在多种技术中的价值。这些结构为电荷载流子提供了连续的传输路径，从而提高了其迁移率和电学性能，特别是在与0D结构相比时。本文首先将概述低维TMDs纳米结构的形态和尺寸对其性能的影响，主要聚焦于其光学、电学和力学特性及其对不同应用的贡献。此外，我们将把多种先进的纳米结构制造方法分类为广为人知的自上而下和自下而上策略。这些纳米结构对提升不同传感平台的性能，包括光电探测器、气体传感器、生物传感器和机械传感器的影响将被总结。同时，它们在催化领域的应用，包括电催化和光催化，也将被强调。最后，我们将讨论当前在这些纳米结构化TMDs应用中所面临的挑战和未来研究方向。

纳米结构的制造对于实现TMDs的高性能应用至关重要。纳米结构的形状、尺寸、不同边缘位点以及结晶度在各种高应用中扮演关键角色。因此，精确控制的合成技术是制备这些纳米结构的关键。目前已采用多种方法制备TMDs纳米结构，这些方法可以大致分为自上而下和自下而上的策略。自上而下方法通常涉及对TMDs的直接加工，通过纳米制造技术将块体结构分解为纳米材料。自下而上方法则基于分子自组装或化学合成，以构建具有特定结构的纳米材料。这两种方法各有优势，能够满足不同应用对TMDs纳米结构的要求。在自上而下方法中，可以通过刻蚀、剥离、化学蚀刻等手段，精确控制纳米结构的尺寸和形状。而在自下而上方法中，通过精确调控反应条件，可以合成具有高度均匀性和特定性能的纳米结构。

随着纳米制造技术的进步，TMDs纳米结构的可控合成成为可能。例如，通过化学气相沉积（CVD）或分子束外延（MBE）等方法，可以制备出具有特定尺寸和形状的TMDs纳米结构。这些技术能够提供高质量的材料，并确保其在不同应用中的稳定性。此外，纳米结构的边缘功能对于其性能也有重要影响。通过调控纳米结构的边缘暴露和终止，可以改变其电子能态和化学活性，从而提升其在电催化和光电应用中的表现。在纳米结构化过程中，材料的表面能态、界面特性以及边缘结构都可能对最终性能产生影响。因此，精确控制这些参数对于实现高性能的TMDs纳米结构至关重要。

在电子器件领域，TMDs因其低维特性和独特的电学性能而受到青睐。例如，场效应晶体管（FET）的性能受到多种因素的影响，包括载流子迁移率、亚阈值摆幅、阈值电压和开/关比。其中，载流子迁移率是衡量电荷载流子在电场作用下通过沟道速度的重要指标。更高的迁移率意味着晶体管的开关速度更快，从而提升整体性能。此外，TMDs的低维特性使其在柔性电子、可穿戴设备等新兴领域具有独特优势。通过调控TMDs的结构和尺寸，可以实现对其电子性能的优化，从而满足不同应用场景的需求。在光电探测器方面，TMDs的高光响应性和低带隙特性使其成为理想的材料。通过引入纳米结构，可以进一步增强其光电性能，提高其在光电子器件中的应用价值。

在传感领域，TMDs纳米结构因其高表面积体积比和独特的边缘功能而展现出广阔的应用前景。例如，TMDs纳米带和纳米片可以用于开发高灵敏度的气体传感器和生物传感器。这些传感器能够检测极低浓度的气体分子或生物分子，具有优异的检测性能。此外，TMDs纳米结构还能够用于机械传感器，通过其高机械强度和可调的弹性特性，实现对机械力的精确检测。在电催化领域，TMDs纳米结构因其丰富的表面活性位点和可调的电子结构而表现出优异的催化性能。例如，TMDs纳米带和纳米片可以用于开发高效的水分解催化剂，提高氢气的生产效率。通过调控纳米结构的尺寸和形态，可以进一步优化其催化性能，使其在不同应用场景中发挥更大作用。

尽管TMDs纳米结构在多个领域展现出巨大的潜力，但仍然面临一些挑战。例如，在纳米结构化过程中，如何实现高产率、尺寸和形态的均匀性是一个关键问题。此外，TMDs纳米结构在实际应用中的稳定性、耐久性和可扩展性也需要进一步研究。在大规模集成方面，如何实现TMDs纳米结构的稳定排列和均匀分布，以确保其在电子器件中的性能，仍然是一个技术难题。此外，TMDs纳米结构的制造成本和工艺复杂性也需要进一步优化，以促进其在工业中的广泛应用。未来的研究方向可能包括开发更高效的纳米制造技术，提高TMDs纳米结构的性能和稳定性，以及探索其在新型应用中的潜力。例如，通过结合不同的纳米结构和功能，可以开发出多功能的TMDs材料，满足更多复杂的应用需求。

在催化领域，TMDs纳米结构因其丰富的表面活性位点和可调的电子结构而展现出独特的性能。例如，TMDs纳米带和纳米片可以用于开发高效的电催化和光催化材料。通过调控纳米结构的尺寸和形态，可以进一步优化其催化性能，提高其在不同应用场景中的效率。此外，TMDs纳米结构还能够用于开发新型的催化剂，以满足对高催化活性和选择性的需求。在环境治理和能源转换等领域，TMDs纳米结构可以用于开发高效的污染物降解和水分解催化剂，为可持续发展提供新的解决方案。

随着研究的深入，TMDs纳米结构在多个领域的应用前景日益广阔。例如，在电子器件领域，TMDs纳米结构可以用于开发高性能的场效应晶体管、光电子器件和柔性电子器件。在传感领域，TMDs纳米结构可以用于开发高灵敏度的气体传感器、生物传感器和机械传感器。在催化领域，TMDs纳米结构可以用于开发高效的电催化和光催化材料。此外，TMDs纳米结构还可以用于开发新型的储能材料，如超级电容器和电池。通过调控其尺寸和形态，可以进一步优化其性能，提高其在不同应用场景中的应用价值。

在未来的应用中，TMDs纳米结构可能成为实现更高性能和更广泛功能的关键材料。例如，通过结合不同的纳米结构和功能，可以开发出多功能的TMDs材料，满足更多复杂的应用需求。此外，TMDs纳米结构的可控合成和优化制造工艺，将进一步推动其在工业中的应用。随着纳米技术的不断发展，TMDs纳米结构的应用范围将不断扩大，为多个领域带来新的机遇和挑战。例如，在柔性电子和可穿戴设备领域，TMDs纳米结构可以用于开发高性能的传感器和电子器件，提高其在实际应用中的稳定性和耐久性。在能源转换和存储领域，TMDs纳米结构可以用于开发高效的催化剂和储能材料，提高其在可持续发展中的应用价值。

综上所述，TMDs纳米结构因其独特的物理和化学特性，在多个领域展现出广阔的应用前景。通过调控其尺寸、形态和边缘结构，可以进一步优化其性能，提高其在不同应用场景中的应用价值。尽管目前仍然面临一些挑战，但随着研究的深入和技术的进步，TMDs纳米结构的应用将不断拓展，为未来的电子、传感、催化等技术提供新的解决方案。本文希望通过对TMDs纳米结构的全面分析，为相关研究提供参考，并促进其在更多领域的应用。