段曦东：耕耘与收获在二维材料的世界里交融

二维材料是伴随着石墨烯的诞生而提出的。二维材料因其载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内，使得这种材料展现出不同的特性和应用。比如，它的带隙可调特性在场效应管、光电器件、热电器件等领域被广泛应用；自旋自由度和谷自由度的可控性在自旋电子学和谷电子学领域引起深入研究。

科学家们通过研究，发现了一个十分有趣的现象，即，不同的二维材料由于晶体结构的特殊性质呈现出不同的电学特性或光学特性的各向异性，包括拉曼光谱、光吸收谱、热导率、电导率等性质的各向异性，这些发现，令其在偏振光电器件、热电器件、仿生器件等领域均具有极大的发展潜力。

湖南大学化学化工学院段曦东教授

神秘的二维材料世界，吸引了全球各国的科学家纷纷投身其中，他们希望通过挖掘二维材料的潜质，拓展其应用领域。湖南大学化学化工学院段曦东教授就是他们中的一员，他带领团队，在二维材料的世界里，披荆斩棘，开拓进取，功夫不负有心人，他们在该领域取得了一系列科研成果。

躬身探索  二维横向异质结的研究获突破

具有原子级厚度的二维材料是科学界关注的焦点。它们是一类新颖的超薄材料，在科学领域，可以借助它们观察到新的物理现象，发现新的物理规律。为了充分实现二维材料在科学技术上的应用，需要发展更可控的方法来制备二维材料及其异质结和超晶格。由于受到制备技术的限制，制备横向二维多异质结及其超晶格结构仍然是科学界的难题。

段曦东教授带领团队，攻克重重技术难关，通过改进传统的热化学气相沉积方法，创造性地在生长条件稳定化的过程中引入冷的逆向气流，成功解决了多步生长过程中二维超薄材料的热稳定和可控成核问题。由于每一步的生长都具有高度的可控性，所以这种方法可以制备多种多样的单原子层异质结、多异质结和超晶格。该成果是二维材料领域重要研究进展，为未来研制超薄电子、光电子器件，推进二凝聚态物理迈出了重要的一步。 

创新研究  打破2D新材料的研究限制

一项科研成果的问世，将意味着打破研究的壁垒，对该领域的发展将起到积极的推动作用。段曦东教授对此深有感触。正因如此，一项科研工作完成后，他便积极进入下一项科研成果的研究，这一次，他将目光放到了二维（2D）金属过渡金属二硫化物研究领域。 

实验室是他的科研战场，通过反复研究探索，他和团队最终选择了无悬空健的2D WSe2或WS2作为金属过渡金属二硫化物的生长基底。与在相同条件下传统有悬空健的SiO2/Si衬底上生长的对比表明，使用无悬空键的WSe2或WS2作为范德华外延衬底对于成功实现原子级薄金属过渡金属二硫化物，如MTe2（M = V，Nb,Ta）纳米片是至关重要的。实验与分析表明生长前驱体原子、分子与基底的范德华作用力促使材料横向生长而不是垂直方向生长，最终更有利于形成超薄的二维材料。科研团队最终实现了原子级薄的2D金属MTe2（M = V，Nb，Ta）单晶的合成，其厚度低至单层，并且形成原子级薄的MTe2/WSe2（WS2）垂直异质结生长。

实验进一步研究表明，外延生长的2D金属可以用作2D半导体器件的范德华接触电极，这种电极几乎没有传统工艺的界面损坏等问题，改善了半导体的电子学性能。此研究为超薄2D-MTMD定义了一种稳健的范德华外延路径，这对于2D限制下这类新材料的基础研究和潜在技术的研究具有至关重要的意义。

勇于挑战  合成高质量的CoTe2单晶纳米片

科研永无止境，段曦东教授带领团队再次出发，这一次他们投入到了CoTe2单晶纳米片研究领域。在科研领域，电学测试表明CoTe2单晶纳米片具有超高电导率和击穿电流密度。最近层状金属过渡金属硫化物CoTe2被报道可以作为高效的电催化剂，并且具有低的过电位和Tafel斜率。另外，CoTe2被报道在90K以上具有顺磁性。然而，目前对超薄CoTe2单晶的合成和厚度可调的电学性质方面的研究却非常稀少。

段曦东教授带领团队向这一课题发起挑战，在研究工程中，首次使用化学气相沉积合成了高质量的CoTe2单晶纳米片，通过该团队实验结果表明通过降低生长温度和增大载气的流量得到的CoTe2纳米片的厚度和形貌会发生系统地变化，由多数为厚的六边形区域变为薄的三角形区域。X射线衍射及高分辨透射电镜结果证明了合成得到的CoTe2纳米片为高质量的单晶纳米片。此外，通过电学测试表明CoTe2单晶纳米片是具有超高电导率和击穿电流密度。CVD生长的二维超薄碲化钴单晶纳米片不仅丰富了二维家族，也可能为金属过渡金属硫化物在原子规模上应用研究提供了平台。

段曦东教授带领团队在二维材料领域取得了丰硕的科研成果，比如， 在国际上率先合成了二维WS2xSe2-2x半导体合金纳米片，系统性地控制了合金的成分，精确控制了二维半导体的带隙和电子性质；在国际上首次用气相转移与沉积法合成了二维碘化铋纳米片，纳米片厚度在10 nm～120 nm之间，检测到了特征的拉曼峰和荧光现象，TEM显示纳米片为单晶，用二维碘化铋纳米片制备的场效应管显示了碘化铋的n-型半导体特性和光响应；通过CVD法实现了第二类狄拉克半金属PtTe2超薄纳米片的可控制备；首次通过常压化学气相沉积法（APCVD）实现了二维材料NiTe2层数的可控制备。他们发现，随着生长温度以及NiCl2源的温度的升高，二维材料NiTe2也实现了形状从三角形到六边形，尺寸不断增大，成核率不断减小的转变。另外，通过改变Te源的温度以及体系中气流的大小也能实现二维材料NiTe2厚度可控。

在科研领域，段曦东教授从未忘记自己的初心，一直以来，他都用科研成果和实际行动履行着作为一名科研工作者的科研使命，现在的他，仍在书写他与二维材料的故事，作为师者的他，将带领更多的人，进入二维材料的世界，他和他们将继续为中国二维材料的发展添砖加瓦……