高效製氫是實現氫社會的必要條件。比起昂貴的鉑金，包括二硫化鉬（MoS₂）在內的過渡金屬二硫化物（TMD）作為從水製氫的電化學觸媒更受關注。另一方面，在半導體領域，當硅變薄到原子水平時，其特性就會發生改變，但因為隻需3個原子就能表現出優異的電氣特性，所以TMD是下一代半導體的有力候選材料。
圖1高密度MoS₂奈米帶邊緣通過電化學反應產生氫的示意圖（供圖：九州大學）
九州大學研究生院綜合理工學府博士生馬宗鵬,九州大學研究生院綜合理工學研究院特任副教授帕布羅·索利斯·費爾南德斯、主幹教授吾鄉浩樹,名古屋大學研究生院工學研究科教授高橋康史、東北大學材料科學高等研究所副教授加藤俊顯、筑波大學數理物質系教授岡田晉、大阪大學產業科學研究所教授末永和知、產業技術綜合研究所主任研究員林永昌、京都大學能源理工學研究所教授松田一成和熊本大學研究生院先端科學研究部副教授原正大組成的研究團隊，開發出了一種利用化學氣相澱積方法在襯底上生長高密度MoS₂奈米帶的新方法，並通過奈米級電化學測量發現，奈米帶邊緣的催化活性比中心高出近100倍。此外，研究團隊還發現這種奈米帶作為半導體元件具有優異的電氣性能。該研究成果已發表在《Science Advances》上。
圖2（a）藍寶石襯底上定向生長的MoS₂奈米帶的圖像。（b）取向MoS₂的電子顯微鏡照片。黑線為MoS₂奈米帶。（c）寬度小於10nm的MoS₂奈米帶的高解析度電子顯微鏡圖像及其模型圖。顯微鏡圖像中出現的亮點與Mo原子相對應。（供圖：九州大學）
吾鄉主幹教授說，「本研究中實現的MoS₂奈米帶因其極高的邊緣比而有望成為觸媒，並在2030年代成為下一代半導體材料。今後，我們將繼續推動更多獨特的原創性研究，例如，開發高度整合的TMD等」。
該研究團隊通過使用原子排列方向各異的具有各向異性表面原子排列的藍寶石a面，並詳細研究合成條件，成功合成了單向排列的高密度MoS₂奈米帶。具體來說，MoS₂奈米帶是以三氧化鉬（MoS₃）和硫（S）為原料，通過化學氣相澱積方法（CVD法）在1100℃的藍寶石襯底上合成而來的。
通過掃描電子顯微鏡（SEM）、奈米帶高度測量和光譜分析等證實，奈米帶是單層MoS₂（3個S-Mo-S原子的厚度）。單向生長是由於藍寶石表面各向異性原子排列的影響。
過去曾有關於合成MoS₂奈米帶的報告，但因為首先要在一種特殊的襯底上製成原子階梯，之後再沿著原子階梯生長，所以這種方法效率不高，且奈米帶的邊緣結構也像鋸片一樣高度無序。曾在溶液合成中產生過許多缺陷。
在這項研究中，研究團隊使用掃描穿透電子顯微術（STEM）進行觀察，證實該奈米帶缺陷很少，並具有單晶MoS₂結構。研究團隊還發現它的邊緣相對光滑。
研究團隊將取向MoS₂奈米帶轉移到導電石墨襯底上，並對其電化學催化活性進行了測量。在這種情況下，研究團隊使用在尖端極細的玻璃管（吸管）注入電解液的掃描電化學電池顯微鏡（SECCM），觀察了氫演化反應 (HER) 的催化活性位點。
結果表明，奈米帶邊緣的催化活性更高。對電流值的詳細分析顯示，奈米帶邊緣的活性幾乎是中心的100倍。此外，研究團隊還發現較窄的奈米帶邊緣/面積比更高，表明單位面積上的HER活性更高。研究還發現，發生反應的邊緣電壓最低。邊緣比例高的奈米帶適用於製氫。
為了研究其作為半導體材料的特性，研究團隊在將其從藍寶石a面轉移到硅襯底後製作了超精細器件，並對其電氣特性進行了評估。結果表明，儘管奈米帶很薄，寬度僅為110奈米，但仍能觀察到清晰的電晶體行為。電子移動性值相當於或高於普通MoS₂薄膜的遷移率值。
使用光刻和蝕刻工藝製造如此薄的奈米帶結構並不容易，即使能夠製造出來，其邊緣也會非常無序，因此本次研究的自組裝MoS₂奈米帶是極好的超薄精細通道。
將MoS₂奈米帶器件冷卻到極低溫並進行測量時，奈米帶表現為多個量子點，這種特性被稱為庫侖鑽石，證實了MoS₂奈米帶的低維性和高結晶性。它也有望成為下一代半導體的通道。
除MoS₂外，研究團隊還成功製作了二硫化鎢（WS₂）奈米帶，並在MoS₂周圍合成了WS₂異質接面構奈米帶。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Science Advances
論文：Lattice-guided growth of dense arrays of aligned transition metal dichalcogenide nanoribbons with high catalytic reactivity
DOI：10.1126/sciadv.adr8046
