單晶超薄膜是擁有宏觀橫向尺寸和納米級甚至原子級厚度的二維單晶材料，由于其在厚度維度上的尺寸遠遠小于另外兩個維度，造成了該類材料的電子能級和態密度與體相材料相比會發生顯著變化，從而表現出獨特的物理和化學性質。對單晶超薄膜物性的深入研究及其應用的開發探索依賴于發展可控的、高質量的各種類單晶超薄膜的制備方法。仿照石墨烯的剝離過程，最近發展的剝離技術被用于制備各種半導體類單晶超薄膜，如MoS2，GaN, MxM1-x(OH)2等。但這種方法適用于具有層狀結構的體相材料，獲得納米級甚至原子級可控厚度的非層狀結構單晶超薄膜仍是巨大的挑戰。
最近，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員靳健課題組提出利用二維限域反應制備大面積金屬單晶超薄膜的方法。該方法以一種液晶雙分子膜為模板體系，使雙分子膜與水形成雙分子膜/水層/雙分子膜的交替層狀有序結構。由于水層的厚度在納米尺寸，且可以通過改變其質量進行精確調控，從而可以將金屬單晶的還原反應控制在水層中發生，制備出幾納米到幾十納米厚度可控的大面積單晶金的超薄膜。課題組與蘇州納米所研究員吳東岷、徐科以及廈門大學教授任斌合作進一步研究了單晶超薄金膜的表面等離子體效應，相關結果發表在J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 12544上。
在上述工作基礎上，為進一步獲得更薄的單晶薄膜，課題組對該雙親性小分子進行分子設計，使其與水分子間形成強的氫鍵作用。由于水的流動性被極限制，得到雙分子膜/水/雙分子膜的水凝膠體系，該水凝膠體系保持了原有的層狀有序結構。以此水凝膠體系為反應場，制備出厚度僅有3.6 nm，面積超過100 mm2的單晶超薄金膜。課題組與蘇州納米所研究員張珽、倪衛海以及蘇州大學教授李有勇合作，對單片單晶金膜的光電性質進行理論計算和測試。相關結果發表在Nat. Commun. 2014, 5, 3313.上。
此項工作得到國家自然科學基金(50973080、21273270)和國家“973”重大科學研究計劃(2013CB933002)的大力支持。
圖1. 小分子雙分子膜層狀水凝膠結構示意圖及性質表征
圖2. 超薄單晶金膜的形貌及結構表征
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