近日，国际著名学术期刊《自然-通讯》 (Nature Communications)在线发表了谢毅教授研究组题为“Fabrication of flexible and freestanding zinc chalcogenide single layers”的研究论文。
　　二维纳米材料如石墨烯是一种全新的材料，它的出现为制备大面积和高质量的纳米器件带来了希望。这种独特的二维结构能够将微观下优异的电学、磁学和光学性能与宏观下的超薄性、透明性和柔韧性有机地结合在一起，从而能够实现器件的微型化和功能的最大化。除了众所周知的石墨烯，具有高比例表面原子的类石墨烯无机单层结构也引起了全球科学家的高度关注。虽然类石墨烯无机单层结构可能带来一系列革新的性能和广泛的应用，但是它的种类还仅仅局限于层状化合物。也就是说，可控地剥离层状化合物就成为制备原子级厚的石墨烯无机类单层结构的唯一途径，而层状化合物内部强的价键作用力使得它们原子级厚单层结构的制备成为一个巨大的挑战。尽管最近的研究报道了具有几个原子层厚的CdSe二维纳米片的合成，然而这种二维纳米片表面难以除去的低挥发性有机溶剂以及溶剂缓慢挥发过程中所导致的团聚将为其器件的制备带来很大的困难。因此，这就会引发人们产生如下的疑问：如何发展出一种普适方法来获得原子级厚的非层状化合物的单层结构？如何来稳定这些表面干净的非层状化合物的单层结构？这些表面干净和自支撑的非层状化合物的单层结构能够带来什么新性能呢？带着这个疑问，研究人员从自然现象中获得了一些启示：一叠纸张或者层状页岩在外力的作用下能够自发地裂成许多薄片；这些现象表明层状的杂化结构可以成为连接非层状化合物和无机类石墨烯单层结构的一种桥梁。
　　在该工作中，研究人员以非层状闪锌矿型ZnSe和ZnS为例，首次提出一种普适的层状杂化中间体辅助的方法，实现了干净和自支撑的原子级厚度的非层状化合物的单层结构。首先以闪锌矿ZnSe为例，他们利用一种层状杂化(Zn₂Se₂)(pa) (pa为正丙胺)中间体成功地合成了干净、自支撑和超柔性的4个原子层厚的ZnSe单层结构。他们与同步辐射国家实验室的韦世强教授组合作利用同步辐射X-射线吸收精细结构谱对ZnSe单层结构进行了精细结构表征，XAFS结果显示出其表面存在着结构的扭曲。正是这种表面扭曲的存在才使得4个原子层厚的ZnSe单层结构能够稳定存在。同时，在同步辐射XAFS拟合得到的原子结构参数的基础上第一性原理计算显示出ZnSe单层结构的态密度在其导带底有明显增强，这无疑有利于其获得更高的载流子迁移率，进而提高其光电性能和光电化学性能。
　　正如石墨烯制备成柔性和透明器件时所表现出来的优异电学性能一样，4个原子层厚的ZnSe单层结构也带来性能突破。众所周知，利用太阳能光解水来产生清洁能源氢气可以提供一种绿色和有效的途径来缓解化石燃料的枯竭和环境污染所带来的一系列问题。然而，低的光解水效率和弱的材料稳定性严重阻碍了太阳能光解水的实际应用。因而，寻求一种适合的材料来获取高效光解水的性能就成为当务之急。值得注意的是，直接带隙半导体和高达1250 cm² V^-1 s^-1载流子迁移率使得环境友好的ZnSe单层结构非常适合用来构建光电化学器件，进而获得高的太阳能光解水效率。在300 W氙灯和0.72 V vs. Ag/AgCl外加电压的作用下，ZnSe单层结构产生高达2.14 mA/cm²的光电流，比块材的光电流提高了195倍。同时，ZnSe单层结构的光电转化效率能够达到42.5%，远高于块材的0.25%。据知，42.5%的光电转化效率也高于大多数已经报道的结果。其次，在经过3600秒的光辐射之后，ZnSe单层结构的光电流依然不会发生明显的改变，显示出其光稳定性。这个工作发表在国际著名期刊《Nat. Commun. 3, 1057 (2012)》。同时，该课题组利用直接液相剥离的方法，也获得了自支撑的3原子层厚的SnS2单层结构。在可见光照射下（以300 W氙灯为光源），SnS₂单层结构的光电流达到2.75 mA/cm²，比块材提高72倍。在420 nm单色光照射下，SnS₂层结构可以获得高达38.7%的光电转化效率，远远高于块材的2.33%。这个工作发表在国际著名期刊《Angew. Chem. Int. Ed. 51, 8727 (2012)》，并被选作VIP论文和内封面。