近日，中科院半导体所半导体超晶格国家重点实验室李京波研究员和魏钟鸣研究员的研究团队，与中国科学院化学研究所/天津大学胡文平研究员、美国再生能源国家实验室汪林望博士的研究组合作，在二维β-Cu₂S纳米片的相变研究中取得新进展。
　　材料的维度对其基本性能有重要影响，近年有研究表明，即使相同的化学组成但维度不同的材料，它们的性质也可能有显著的差别。比如，许多的单层或少层二维材料（石墨烯，过渡金属硫族化物等）展示了与体材料明显不同的物理性质。而相变材料在信息存储、显微技术等方面有重要应用。Cu_2-xS作为一种多相材料被广泛研究，比如CuS和Cu₂S。其中，体材料Cu₂S随着温度的变化，会呈现三种相：α（>425 ^oC），β（105-425 ^oC），γ（<105 ^oC）。在这三种相中，β-Cu₂S因为具有固液共存行为而特别具有研究价值。作为一种特殊的二维材料，β-Cu₂S晶胞显示出独特的固相-液相堆积，晶体中S原子形成了固定的类似石墨烯六角结构，而Cu原子则在S原子层中或在层层之间，并且呈现具有液体离子迁移特性。但是β-Cu₂S体材料在常温下是不稳定的（相变温度是105 ^oC），这就很大程度限制了其实际应用。
　　在此背景之下，该团队中的博士生黎博和黄乐等采用一种创新的超快降温化学气相沉积法成功获得了高质量、大尺寸的二维β-Cu₂S纳米片。同时，系统探索了材料的生长条件，通过调控生长过程中硫的含量，合成出了Cu_2-xS-Cu₂S复合材料以及CuS单晶。通过Raman和TEM等表征，这种二维β-Cu₂S纳米片具有很高的结晶度。通过测量不同低温下的XRD，发现这种纳米片由β-Cu₂S到γ-Cu₂S的相变温度是-15 ^oC（258 K），这比体材料的相变温度（105 ^oC）低了120 K。低温下测试的电导率和Raman图谱都表明这种材料在258 K附近发生了突变，与XRD结果相符合，进一步确认了该相变温度值。他们还用分子动力学方法计算了这种材料的稳定性，结果表明这种二维结构的β-Cu₂S能在室温下稳定存在，与实验数据相吻合（如图1所示）。该研究显示了二维β-Cu₂S在相变材料、未来信息存储等方面的潜在应用。
　　相关成果近期发表在Wiley旗下的《Advanced Materials》上，并选做当期的背封面（Back Cover），如图2所示。论文发表以后还被MaterialsView China网站进行了亮点报道。该工作得到国家自然科学基金委员会和中国科学院的支持。
　　

　　图1. 二维β-Cu₂S相变的实验和理论计算结果（Adv. Mater., 2016, 28, 8271–8276）。
　　

　　图2. 该论文被选为当期的背封面图。