自2004年石墨烯被發現以來，探尋其他新型二維晶體材料一直是二維材料研究領域的前沿。正如石墨烯一樣，大尺寸高質量的其他二維晶體不僅對于探索二維極限下新的物理現象和性能非常重要，而且在電子、光電子等領域具有諸多新奇的應用。近年來，除石墨烯外，二維六方氮化硼、過渡族金屬硫化物、氧化物、黑磷等二維材料也被制備出來，極大地拓展了二維材料的性能和應用。

　　過渡族金屬碳化物是一類龐大的材料家族，它結合了陶瓷和金屬的特性，一方面具有很高的強度和硬度，以及高熔點、高溫下優異的穩定性和抗腐蝕性，良好的抗熱震性和低的化學反應活性；另一方面，它們具有優異的催化活性，在諸多化學反應中可與常用的貴金屬催化劑相媲美。此外，很多過渡族金屬碳化物，如Mo₂C、W₂C、WC、TaC 及NbC等，都具有超導特性。因此，過渡族金屬碳化物在電子、催化、儲能、極端條件下使用的工具等領域有著廣泛的應用。

　　幾年前，科學家通過使用氫氟酸或者氟化鋰與鹽酸的混合溶液刻蝕去除層狀三元陶瓷MAX相中的金屬層（如鋁等），制備出了功能化的過渡族金屬碳化物納米片。研究表明，這種材料具有優異的熱電轉換和電化學能量存儲等性能。然而，與氧化石墨烯類似，這種方法制得的功能化的二維過渡族金屬碳化物納米片的片層尺寸小，在數納米到數微米之間，并且存在大量的缺陷和官能團，限制了對二維過渡族金屬碳化物基本物性的研究和應用探索。

　　最近，金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室先進炭材料研究部的任文才研究組在大尺寸高質量二維過渡族金屬碳化物晶體的制備與物性研究方面取得了重要突破。他們提出了采用上層銅箔/底層鉬箔構成的雙金屬疊片作為生長基體的化學氣相沉積（CVD）方法，在高溫下通過銅催化裂解甲烷生成的碳原子與擴散到銅表面的鉬原子反應生長出高質量的超薄二維Mo2C晶體。這些二維Mo₂C晶體具有規則的幾何形狀，僅有幾個納米厚，尺寸可達上百微米，并且具有很高的化學和熱穩定性。他們與固體原子像研究部的馬秀良研究組合作對材料的結構進行了詳細表征，發現這種材料為正交結構（ -Mo₂C），具有很高的結晶質量，結構均一，無缺陷、雜質等。他們進而與北京大學信息科學技術學院電子學系的康寧研究組合作研究了材料的電學輸運特性，發現這種高質量的二維超薄 -Mo₂C晶體在低溫下具有超導特性，其轉變特性表現出二維的 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless相變特征、且隨磁場方向呈現出各向異性的二維超導特征，是一種干凈的二維超導體，且其超導特性強烈依賴材料的厚度，并在厚度為~3 nm的樣品中觀察到了金屬-絕緣體相變行為。

　　這種以雙金屬疊片為基體的CVD方法具有很好的普適性和可控性，可以用于制備其他二維過渡族金屬碳化物，例如他們通過使用不同的底層金屬箔片還制備出了高質量的六方結構的二維WC晶體和立方結構的二維TaC晶體，并且通過簡單改變CVD參數可實現對二維晶體厚度和尺寸的控制。這類高質量二維過渡族金屬碳化物晶體為二維材料家族增添了新的成員，不僅為研究其本征物性以及與現有二維材料不同的新物性和新應用提供了可能，而且可用于與其他二維晶體材料一起構筑新型疊層異質結構，拓展了二維材料的物性和應用空間。

　　該工作得到了國家自然科學基金委杰出青年基金、重大項目、創新群體以及中科院重點部署項目等的資助，于8月17日在Nature Materials上在線發表（Nature Materials, DOI: 10.1038/nmat4374, 2015），并被以“Chemical vapour deposition: Transition metal carbides go 2D”為題在同期的News & Views欄目中進行了重點介紹。

　　全文鏈接：

　　http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4374.html

圖1 CVD方法制備的大尺寸、高質量二維超薄 -Mo₂C 晶體

圖2 高質量超薄 -Mo₂C晶體的二維超導特征 

圖3 CVD方法制備的高質量（a,b）二維WC晶體和（c,d）二維TaC晶體