淺談二維材料研究現狀及展望范文

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二維材料是一大類材料的統稱，指的是在一個維度上材料尺寸減小到極限的原子層厚度，而在其他兩個維度，材料尺寸相對較大。最典型也是最早實驗證明的二維材料是石墨烯。2004年，K.S.Novoselov等人在Science雜志發表文章，報道了通過機械剝離的方法從高取向的裂解石墨中獲得了石墨烯，且證明了其獨特優異的電學性質。自此之后，以石墨烯為代表的二維材料獲得了快速的發展，新的二維材料如雨后春筍般涌現。得益于其原子層厚度方向上的量子局限效應，這些二維材料展示出與其對應的三維結構截然不同的性質，因此受到了科學界和工業界的廣泛關注。

除石墨烯之外，其他的二維材料還包括：單元素的硅烯、鍺烯、錫烯、硼烯和黑磷等，過渡金屬硫族化合物如MoS2、WSe2、ReS2、PtSe2、NbSe2等，主族金屬硫族化合物如GaS、InSe、SnS、SnS2等，以及其他二維材料如h-BN、CrI3、NiPS3、Bi2O2Se等。這些二維材料具有完全不同的能帶結構以及電學性質，覆蓋了從超導體、金屬、半金屬、半導體到絕緣體等材料類型。同時，他們也具有優異的光學、力學、熱學、磁學等性質。通過堆垛種類不同的二維材料，可以構筑功能性更強的材料體系。因此，這些材料有望在高性能電子器件、光電子器件、自旋電子器件以及能源轉換和存儲等領域得到應用。現階段對于二維材料的研究集中在制備、表征、修飾改性、理論計算以及應用探索等幾個方面，且均已取得了很大的進展。例如，在制備方面，機械剝離法被廣泛用來制備得到二維材料樣品，供實驗室物性研究以及器件制作；利用化學氣相沉積的方法可以制備大面積、高質量、層數可控的石墨烯以及部分過渡金屬硫族化合物材料，為商業化應用奠定了基礎。對于二維材料的表征，研究人員已經建立起互補的光譜學以及電子傳輸學等一系列表征手段。修飾改性也是二維材料發展的一個很重要的方面，通過摻雜、化學修飾、靜電調控、合金等手段，可以最大程度地規避材料本身的不足，發揮其優勢。理論計算在二維材料的發展中起到了至關重要的作用，通過理論計算可以發掘更多的新型二維材料，預測其性能，解釋觀察到的現象，指導實驗設計。在應用方面，基于石墨烯的高頻晶體管的構筑，基于MoS2的短溝道的場效應晶體管和隧穿晶體管，以及其他高效發光以及光探測器件的實現，都展現出了二維材料巨大的應用潛力。同時，二維材料的研究還面臨著諸多的挑戰。

首先，材料的制備水平遠未達到光電子器件應用的標準。雖然通過機械剝離的方法可以得到大部分的二維層狀材料，但是這種方法效率較低，樣品橫向尺寸較小，厚度不容易控制。通過其他的方法例如液相剝離或者化學氣相沉積可以制備石墨烯和部分過渡金屬硫族化合物，但樣品的層數、邊緣形貌、缺陷密度、相、參雜濃度等參數都較難以控制，且這些方法在新的二維材料制備方面有待進一步優化。因此，要實現二維材料的廣泛應用，可控制備是前提，這涉及二維材料制備的專業裝備和在專業裝備基礎上發展的制備工藝技術；裝備是關鍵，沒有一流的裝備，不可能有一流的產品。然而，在裝備方面至今沒有實質性進展，亟需政府和企業有長遠眼光與規劃，這可以從日本、韓國等國在有機發光二極管（OLEDs）的裝備研制方面得到啟示。

其次，二維材料的精確組裝是實現其用途的關鍵，這也涉及制備工藝技術。通過堆垛的方法可以構筑二維材料范德華異質結，以實現單體并不具備的功能。但是通用的轉移方法并不能控制層與層之間的相互作用以及晶格取向，并且會不可避免地引入雜質，為研究帶來不確定性。

因此開發新的組裝方法也是二維材料獲得應用所面臨的挑戰。最后，在二維材料的應用中，雖然已經有很多新穎的器件結構與優異的性能報道，但如何與當代硅基微納光電子集成，是一個有待解決的現實問題。開發新的器件結構，優化已有器件的性能，充分發揮二維材料的獨特優勢，也是這一領域面臨的挑戰之一。鑒于此，我們課題組在二維材料領域開展了一系列創新性的工作。在石墨烯制備的裝備研發，在石墨烯、h-BN、MoS2等材料的制備表征，以及二維材料在場效應晶體管、太陽能電池、催化產氫、光學和生物傳感器等應用領域取得了一定的原創性成果，并受邀撰寫了相關內容的綜述和書的章節。其中，發表在ChemicalReviews(Chem.Rev.2013,113,3766)的關于類石墨烯二維材料的綜述是該領域內第一個系統性的綜述，受到了因石墨烯而獲2010年諾貝爾物理學獎的A.K.Geim等人的推介，并入選了2013年度中國百篇最具影響國際學術論文。二維材料雖然不可能取代硅材料，但可以與現有的技術功能互補。微電子器件將不斷沿著速度更快、體積更小、價格更便宜和功能更完善的方向發展；在后摩爾時代，芯片匯集計算、存儲、通信和信息處理等多種功能，速度更快、功耗更低，推動信息技術發生革命性的變化。具有獨特光、電、磁特性以及新型量子物理現象的石墨烯、過渡金屬硫簇化合物等新型二維材料，在信息、微納光電子等方面具有潛在的應用前景，融入硅基半導體技術，能夠推動芯片技術發展。隨著二維材料家族的不斷擴大，越來越多新的二維材料被發現并且展示出了獨特的性能，為更廣闊的研究和應用提供了基礎，有望引領基于材料創新的產業變革。

作者：梁濤 徐明生單位：浙江大學