由于对清洁能源的需求，人们对氢气的期望越来越高，并且需要一种有效的生产氢气的方法。已知铂在从水中产生氢气的电化学方法中表现出高催化活性，但问题是铂是一种稀有金属并且极其昂贵。 MoS2，一种二维半导体材料2已知其价格低廉且具有高催化活性，但对其活性位点（反应发生的地方）存在争议。另外，MoS2纳米片作为半导体材料也很出色，近年来作为替代接近小型化极限的硅器件的下一代半导体而备受关注。
研究生马中鹏，博士九州大学理工学院研究生院特聘副教授Pablo Solis-Fernandez、九州大学理工学院研究生院前弘树资深教授、名古屋大学工学研究生院高桥浩二教授、东北大学材料科学研究生院(WPI-AIMR)加藤敏明副教授、数学与材料系冈田进教授组成的研究小组筑波大学教授、大阪大学科学产业研究所教授末永一友、米乐m6官方网站高级研究员林长政、京都大学能源科学技术研究所教授松田一成、熊本大学先端科学研究生院副教授原正宏等人，利用化学气相沉积法开发了二维半导体 MoS。2纳米带以高密度分布在基底上，通过纳米级电化学测量发现，纳米带边缘的催化活性比中心高出近100倍。此外，这个MoS2我们还发现纳米带作为半导体器件表现出优异的电性能。这项研究成果有望为清洁能源的发展做出贡献，并对下一代半导体的发展做出巨大贡献。
这项研究成果将于 2025 年 1 月 9 日星期四凌晨 4 点发表在美国科学促进会出版的学术期刊上。
科学进步
高密度MoS
2来自纳米带的边缘
电化学反应产生氢气的图像
本研究中实现的 MoS
2纳米带具有极高比例的边缘，因此它们有望成为催化剂，也是 2030 年代下一代半导体材料的有前途的材料。未来，我们将继续追求更加独特和原创的研究，例如增加过渡金属二硫属化物（TMD）的集成。
（前首席教授）
现在全球变暖已成为一个重大问题，迫切需要创造和使用清洁能源。特别是，氢作为能源载体变得越来越重要，包括在燃料电池汽车中。可以使用催化剂以电化学方式生产氢气，但主要瓶颈是最活跃的催化剂铂非常稀有且极其昂贵。在这种情况下，二硫化钼（MoS2),过渡金属二硫属化物 (TMD)称为(*1)的二维半导体片，价格便宜，可以用铂代替析氢反应 (HER)(*2) 的催化剂。
同时，在半导体行业，晶体管等器件的小型化和集成化正在进一步进展，广泛使用的硅器件正在接近其极限。这是因为当硅变得极薄至原子水平时，电子速度等特性会显着下降。另一方面，MoS2具有三个原子（例如 MoS2的情况下，可以获得厚度为1Mo和2S)的稳定的二维片材，并且尽管其很薄，但仍表现出优异的电性能。因此，它被认为是 2030 年代下一代半导体的有力候选者，世界各地（包括大型设备制造商）正在积极推进 TMD 半导体的研发。然而，TMD的器件应用还存在许多问题，包括微加工技术和大规模生产。
在这项研究中，我们使用了蓝宝石的 a 面，该面的表面原子排列因方向（各向异性）而异，通过详细检查合成条件，我们创建了具有单向排列的高密度 MoS2我们已成功合成纳米带。具体来说，氧化钼（MoO3) 和硫 (S) 作为原材料在蓝宝石衬底上于 1100 °C 和流动的氩气下化学气相沉积法（CVD法）MoS 由于 (※3)2我合成了纳米带。图1（a）和（b）显示了原子模型和实际扫描电子显微镜（SEM）照片。蓝宝石衬底上宽度为几十纳米到几百纳米的MoS2您可以看到纳米带沿特定方向整齐排列并密集生长。根据纳米带的高度测量和光谱测量，该纳米带是单层 MoS2（3个S-Mo-S原子的厚度）。 MoS像这样2我们认为单向生长的发生是由于蓝宝石表面各向异性原子排列的影响。
图1 (a) 在蓝宝石衬底上定向生长的MoS2纳米带的图像。 (b) 定向MoS2的电子显微照片黑线是MoS2纳米带。 (c) 宽度窄于10 nm的MoS2纳米带的高分辨率电子显微镜图像及其模型图。显微镜图像中的亮点对应于钼原子。
到目前为止的几个例子，MoS2已经有关于纳米带合成的报道，但效率不高，因为它需要在特殊基底上创建原子台阶，然后沿着它们生长，而且边缘的结构也高度无序，就像锯片一样。此外，MoS2
当使用原子分辨率扫描透射电子显微镜（STEM）观察本研究中的纳米带时，获得了如图1（c）所示的图像，几乎没有缺陷，并且是单晶MoS2已证实它具有结构。我们还发现它的边缘比较光滑。
接下来，这个面向MoS2将纳米带转移到导电石墨基底上并测量电化学催化活性。此时，使用的是尖端非常细的玻璃管（移液管），里面充满了电解质。扫描电化学电池显微镜 (SECCM)(*4) 可视化析氢反应 (HER) 的催化活性位点。图2(b)显示了图2(a)中所示的三个纳米带的测量结果。氢气的生成是还原反应，电流值越高，反应越活跃，表明生成的氢气越多。从图 2(b) 可以清楚地看出，MoS2可以看出，纳米带边缘处的催化活性较高。对电流值的详细分析表明，纳米带边缘的活性几乎是纳米带中心的100倍。此外，还发现薄带（图2（a）和（b）中的纳米带1）具有大的边缘/面积比和每单位面积的高HER活性。图2(c)比较了边缘、中心和石墨表面，表明发生反应的电压（过电压）在边缘处最低，这意味着HER更容易发生。上述结果表明，具有高边缘比的纳米带适合用于制氢。这样，本研究实现了高密度取向的MoS22纳米带与SECCM先进测量方法的结合为析氢催化剂的设计和制造提供了重要指导。
图2 (a) 用于电化学反应的三种纳米带的电子显微照片。 (b) 同一位置 HER 活动的映射图像。电流的绝对值越大，产生的氢气越多。 (c) 不同地点的当前概况。
MoS2为了研究纳米带作为半导体材料的特性，我们将超细器件从蓝宝石 a 面转移到硅衬底上，然后制造了如图 3(a) 和 (b) 所示的超精细器件，并评估了它们的电特性。结果如图3(c)所示。尽管纳米带的宽度为 110 nm，但仍可以观察到清晰的晶体管行为。电子迁移率，即电子的速度，为 44 cm2/Vs 和普通 MoS2我们获得了等于或高于纸张的高值。需要指出的是，利用光刻和蚀刻工艺创建如此薄的纳米带结构并不容易，而且即使可以创建，边缘也极其无序，因此MoS的这种自组织生长2纳米带也非常适合作为超薄和精细的通道。此外，这个MoS2图3(d)显示了将纳米带装置冷却至极低温度后的测量结果。纳米带表现为多个量子点库仑钻石获得了名为(*5)的属性，MoS2我们能够确认纳米带的低维度和高结晶度。这样，MoS2纳米带已被证明不仅可以作为氢生成催化剂，而且可以作为下一代半导体的通道。
图 3 (a,b) MoS2以纳米带作为半导体沟道的晶体管的结构和实际电子显微镜图像。 (c) 室温下的晶体管特性。 (d) 在低温 (42 K) 下获得的器件测量结果。获得了菱形菱形图案，这被认为是低维材料的特征行为。
本研究中的 MoS2加二硫化钨 (WS2) 除了制造纳米带之外，MoS22成功合成了异质结构纳米带。这些新的高阶材料预计将表现出更有趣的特性。
未来，我们的目标是合成和集成位置和方向可同时控制的纳米带，以及创建独特的结构，例如结合多个纳米带的异纳米带，这将导致新的物理性质和应用的开发。我们还将通过更清洁的传输方法和边缘控制实现更高的制氢能力。二硫化钼2等二维材料的半导体应用，我们也将通过与许多大学和企业积极的产学合作活动来推动实际应用。
本研究得到了文部科学省科学研究补助金学术转型领域研究(A)“25维材料科学：材料科学向社会变革的范式转变（领域代表：前宏树）”（JP21H05232、JP21H05233、JP21H0523 5、 JP22H05478、JP22H05441、JP22H05448、JP22H05459、JP24H01165、JP24H01189、JP24H00478）、日本学术振兴会科学研究补助金（JP24H00407、JP23K17863、 JP21K18878、JP23H00097、JP23K1775、JP20H05664、JP19K22113、JP23H05469、JP22K18986、JP24K17708)、日本科学技术振兴机构 (JST) 该项目得到了战略创意研究促进项目团队研究 CREST 的支持（JPMJCR20B1、JPMJCR18I1、JPMJCR23A2、JPMJCR24A5）、战略创意研究促进项目ACT-X（JPMJAX23DH）和新兴研究支持项目（JPMJFR203K）。
已出版的杂志：科学进步
标题：具有高催化活性的有序过渡金属二硫属化物纳米带密集阵列的晶格引导生长
作者姓名：Zongpeng Ma、Pablo Solís-Fernández、Kaito Hirata、Yung-Chang Lin、Keisuke Shinokita、Mina Maruyama、Kota Honda、Tatsuki Kato、Aika Uchida、Hiroto Ogura、Tomohiro Otsuka、Masahiro Hara、Kazunari Matsuda、Kazu Suenaga、Susumu Okada、加藤俊明、高桥康文、前宏树
DOI：101126/sciadvadr8046