研究背景

过渡金属二硫族化物（TMDCs）是一类具有高度可调性和各向异性的半导体材料，在电子和光学器件等领域具有重要应用。与传统的半导体材料相比，TMDCs具有独特的层状结构，在纳米尺度下表现出优异的电学和光学性能。因此，TMDCs被广泛研究，并且在柔性电子、光电传感器、催化、能源存储（如电池和超级电容器）等多个领域展现出巨大的潜力。然而，尽管TMDCs的应用前景广阔，但现有的生长和制备方法仍面临诸多挑战。现有的机械剥离和液相剥离等技术适用于实验室小规模制备，但难以满足大规模生产的需求。此外，化学气相沉积（CVD）和原子层沉积（ALD）等方法虽然能实现高质量的单层或少层TMDCs薄膜，但往往需要后续的刻蚀和图案化工艺，这些过程不仅耗时、成本高，而且可能引入缺陷和污染，影响材料的性能。

为了解决这一问题，南安普顿大学（University of Southampton）Philip N. Bartlett，Gillian Reid等人在“Nature Reviews Chemistry”期刊上发表了题为“Performance metrics and mechanistic considerations for the development of 3D batteries”的最新综述。该团队总结了通过电沉积方法生长金属二硫族化物材料的现状，并提出了一种新颖的、能够实现精确控制的电沉积生长策略。该研究利用电沉积法将TMDCs材料直接沉积到预定义的区域，避免了传统CVD和ALD方法中需后续刻蚀和图案化的繁琐步骤，并能提高材料的质量和可控性。

本文通过优化电沉积工艺中的分子前驱体、溶剂和电极设计等因素，研究团队成功实现了对TMDCs薄膜的精确控制，获得了高质量的单层或少层TMDCs材料。该技术不仅突破了现有的生长方法限制，也为TMDCs在大规模生产中的应用提供了新的思路和方向，具有广阔的应用前景。

文章亮点

1）总结了过渡金属二硫化物（TMDCs）的特点及其应用前景，指出TMDCs作为二维层状半导体材料，因其独特的层依赖性物理特性而广泛应用于电子、光电、传感器等领域。通过对TMDCs的晶体结构和层间相互作用的分析，揭示了其可调性和各向异性特性，尤其是在单层或少层材料中表现出不同的电子性质。

2）综述了二维TMDCs的生长方法，特别是电沉积法在大规模生产中的应用潜力。文章分析了现有的CVD、ALD等技术的优缺点，并讨论了电沉积法在区域选择性生长中的优势。

3）重点介绍了电沉积方法如何在预定义的基板区域上生长高质量的TMDC层，解决了现有生长技术中多核生成和非单晶问题。同时，提到了单源前驱体（SSP）和纳米带电极的电化学生长技术，为高精度的材料合成提供了新的发展方向。

图文解读

图1: 二维2D层状过渡金属二硫属化物transition metal dichalcogenides，TMDC的晶体结构。

图2: 用于电沉积的典型三电极电化学池装置。

图3: 从[TeCl6]²⁻还原中，沉积元素碲所涉及的分子种类。

图4: 用于电沉积三元锗锑碲合金的多源前驱体方法。

图5: 用于二维过渡金属二硫属化物电沉积的单源前驱体实例。

图6: 在导体上，二维过渡金属二硫属化物TMDC电沉积。

图7:在绝缘体 (SiO₂)上，从纳米带电极边缘向外的二维过渡金属二硫属化物TMDCs各向异性生长。

结论展望

本文采用单源前驱体（SSPs）和弱配位溶剂可以实现对沉积电位和材料生长过程的精确控制，尤其在超薄2D层状TMDCs的电化学生长中展现出良好的前景。这为电沉积法的扩展应用开辟了新天地，尤其是在电催化和能源领域。然而，当前仍面临着前驱体选择范围有限以及在控制电沉积过程中生长特性方面的挑战。为此，必须发展新的无机合成方法，创新前驱体和溶液的优化策略，从而提高TMDC材料的质量并拓展电沉积法的适用范围。此外，优化电沉积过程中的成核和生长控制，尤其是对于单层生长的精确调控，仍是未来研究的重点。通过进一步研究电解液和电极界面的相互作用，以及温度对结晶度的影响，可以为高质量TMDCs的制备提供理论支持。最终，这些进展将推动TMDCs在电子、光学以及纳米电子器件中的广泛应用。

原文详情：

Bartlett, P.N., de Groot, C.H.K., Greenacre, V.K. et al. Molecular precursors for the electrodeposition of 2D-layered metal chalcogenides. Nat Rev Chem (2025). https://doi.org/10.1038/s41570-024-00671-6

https://www.nature.com/articles/s41570-024-00671-6