以單層石墨烯為代表的各類二維納米材料由于其多樣的理化性質(zhì)，以及在器件、傳感、催化、醫(yī)藥和能源等領(lǐng)域的的廣泛應(yīng)用前景而倍受關(guān)注。近期，二維納米材料的研究成果層出不窮，更是在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊發(fā)表的文章中占有一席之地。Nature作為當(dāng)今全球最具影響力的學(xué)術(shù)期刊之一，引領(lǐng)著科學(xué)界最前沿的研究方向。

以下匯總了近幾個月在Nature正刊上發(fā)表的二維納米材料的研究成果。涉及的二維材料包括石墨烯、MoS₂、WSe₂?、WTe₂?、MoO₃?、Fe₃GeTe₂等，研究的方向包含了制備表征，物理特性，和器件、儲能中的應(yīng)用等，覆蓋的范圍不可謂不廣。

這些成果來自于世界各地的研究者，包括材料大牛段鑲鋒團隊，蘇州大學(xué)的鮑橋梁團隊，以及復(fù)旦大學(xué)的張遠(yuǎn)波團隊等。?希望這些成果匯總能對二維材料的研究者有所啟發(fā)。

一、石墨烯

近期研究者對石墨烯在水分子滲透器件、太赫茲技術(shù)和鋰離子儲能等方面的應(yīng)用進(jìn)行了探討，并在Nature上刊登了研究成果：

1.基于石墨烯氧化物的電場可控的水滲透技術(shù)

研究方向：器件應(yīng)用

控制水分子在薄膜或毛細(xì)管中的傳輸在水凈化與醫(yī)療保健領(lǐng)域具有重要意義。英國曼徹斯特大學(xué)的R.R.Nair教授和團隊通過可控電場擊穿氧化石墨烯膜并在其內(nèi)部形成導(dǎo)電通道，利用內(nèi)部的局部電場電離水分子，并通過施加的電流強度來控制水分子的流量。作者們同時討論了氧化石墨烯薄膜厚度，氫離子和氫氧根離子等因素對水分子傳輸動力學(xué)的影響。這個成果為研發(fā)智能薄膜技術(shù)、人工生物系統(tǒng)開辟了新的途徑。

文獻(xiàn)鏈接：Electrically controlled water permeation through graphene oxide membranes?(Nature?559, 236–240)

2.石墨烯上由迪拉克費米子產(chǎn)生的高效太赫茲高次諧波

研究方向：物理特性

石墨烯被多次預(yù)測認(rèn)為可以產(chǎn)生光諧波，并在太赫茲技術(shù)上發(fā)揮關(guān)鍵作用。理論上，它應(yīng)該能夠達(dá)到比當(dāng)今的硅基電子器件快千倍的時鐘頻率。德國亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心Michael Gensch團隊和杜伊斯堡-埃森大學(xué)以及馬普所聚合物研究所的Dmitry Turchinovich團隊展開合作，首次展示了采用頻率在0.3–0.68 THz之間的電磁脈沖，在石墨烯中轉(zhuǎn)化為三倍、五倍、七倍于初始頻率的電磁波，即太赫茲頻率范圍。測量值與熱力學(xué)模型得出的結(jié)果一致。這一突破表明基于石墨烯的器件能在超快時鐘頻率下高效地運作，并為超高速石墨烯基納米電子器件鋪平了道路。

文獻(xiàn)鏈接：Extremely efficient terahertz high-harmonic generation in graphene by hot Dirac fermions?(Nature?561, 507–511)

3.石墨烯片層間超密鋰儲存

研究方向：儲能應(yīng)用，表征技術(shù)

碳材料是鋰離子可逆電池的主體材料，鋰離子在這些碳材料上的排列方式卻難以觀測。使用原位TEM的問題在于這種技術(shù)不適用輕質(zhì)元素，尤其是Li的表征。德國馬普固體研究所Jurgen H. Smet團隊和德國烏爾姆大學(xué)Ute Kaiser團隊采用了一種低壓原位TEM，實現(xiàn)了對雙層石墨烯中鋰離子可逆插層和排列的實時觀測。研究團隊利用球差和色差矯正來保證足夠的對比度和分辨率，并加以電子能量損失能譜和DFT計算的輔助，發(fā)現(xiàn)鋰原子在雙層石墨烯片層中間形成多層致密結(jié)構(gòu)，使得鋰儲存容量遠(yuǎn)超LiC₆結(jié)構(gòu)。這項研究揭示了一種全新的離子在二維層狀材料中的儲存機理。

文獻(xiàn)鏈接：Reversible superdense ordering of lithium between two graphene sheets?(Nature?doi: 10.1038/s41586-018-0754-2)

二、二硫化鉬

二硫化鉬方面，Nature報道了一項亞埃分辨率顯微鏡表征MoS₂的工作，以及一種高效的MoS₂制備方法和其在電子元件上的應(yīng)用。除此之外，還探討了MoS₂?與WSe₂形成范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)下的激子操控：

1.亞埃分辨率電子顯微鏡表征二維材料

研究方向：表征技術(shù)

獲得原子分辨率的成像是探索納米材料的重要條件。電子顯微鏡的分辨率一般由數(shù)值孔徑和電子束能量決定，為避免二維材料的位移損壞，成像往往在低能量下進(jìn)行，故分辨率被制約在1埃左右。美國康奈爾大學(xué)的David A. Muller團隊采用一種新的層疊衍射圖像重構(gòu)技術(shù)（ptychography），在低電壓成像條件下，實現(xiàn)了0.04納米的分辨率，刷新了紀(jì)錄。這種成像技術(shù)采用原子大小的電子束，采集二維掃描區(qū)域每個位置的衍射圖，再通過成像算法重建出材料的結(jié)構(gòu)。在重構(gòu)圖里能夠非常清晰地看見MoS₂中單個硫原子缺陷。該方法對研究更復(fù)雜的材料缺陷，三維重構(gòu)等技術(shù)都可能產(chǎn)生革命性的影響。

文獻(xiàn)鏈接：Electron ptychography of 2D materials to deep sub-?ngstr?m resolution?(Nature?559, 343–349)

2.室溫下范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中電場可控的激子流量

研究方向：器件應(yīng)用

基于操控激子的器件有望實現(xiàn)光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸和電子處理系統(tǒng)間的有效互聯(lián)，但是激子極短的壽命以及極低溫度的工作條件限制了它們在這個領(lǐng)域的有效應(yīng)用。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Andras Kis團隊發(fā)明了一種使用激子的晶體管，該晶體管基于二維半導(dǎo)體WSe₂和MoS₂范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可在室溫下有效地發(fā)揮作用。在MoS₂–WSe₂體系下產(chǎn)生的激子有更長的壽命，可以在室溫下擴散很遠(yuǎn)。作者們進(jìn)一步通過施加電勢等方式來控制激子流量和動力學(xué)。這一成果展示了二維材料在基于操控激子的器件中的應(yīng)用前景。

文獻(xiàn)鏈接：Room-temperature electrical control of exciton flux in a van der Waals heterostructure?(Nature?560, 340–344)

2.可用于大面積電子元件的二維半導(dǎo)體

研究方向：制備方法，器件應(yīng)用

二維半導(dǎo)體，例如MoS₂納米片，在大面積薄膜電子器件領(lǐng)域極具應(yīng)用前景，但目前制備高質(zhì)量、可溶液處理的二維半導(dǎo)體納米片仍然是一項挑戰(zhàn)。美國加州大學(xué)洛杉磯分校的Xiangfeng Duan和Yu Huang團隊通過電化學(xué)方法將季銨鹽分子嵌入到二維半導(dǎo)體層間，在經(jīng)過超聲和剝落處理后，他們得到了高純度的半導(dǎo)體相MoS₂納米片，且厚度非常均一。這些納米片進(jìn)一步被加工成高性能薄膜晶體管，可用于構(gòu)建功能邏輯門電路。這種插層/剝離方法還可廣泛應(yīng)用于其他各種二維材料的制備，為用于大面積電子器件的高質(zhì)量納米片的生產(chǎn)提供了有力支持。

文獻(xiàn)鏈接：Solution-processable 2D semiconductors for high-performance large-area electronics?(Nature?562, 254–258)

三、磁性二維材料和天然范德華材料

近期Nature報道了一些二維材料的電磁特性，如WTe_2?的鐵電反轉(zhuǎn)，F(xiàn)e₃GeTe₂的鐵磁性等。除此之外，還報道了一種天然范德華材料α-MoO₃的極化子傳播現(xiàn)象：

1.二維金屬的鐵電反轉(zhuǎn)

研究方向：物理特性

鐵電體是一類重要的極性材料，其極化方向在外加電場作用下可以發(fā)生反轉(zhuǎn)。當(dāng)材料變薄到單原子層結(jié)構(gòu)時，它們的性質(zhì)往往會發(fā)生根本性變化，比如單層WTe₂在低溫下可轉(zhuǎn)變成二維拓?fù)浣^緣體或超導(dǎo)體。美國華盛頓大學(xué)西雅圖分校的David H. Cobden團隊首次驗證了WTe₂拓?fù)浒虢饘俣S材料在室溫下的鐵電極化反轉(zhuǎn)能力。研究人員構(gòu)建了多層WTe₂堆疊的結(jié)構(gòu)，當(dāng)電場上下掃描雙層和三層WTe₂器件時，他們觀察到了鐵電轉(zhuǎn)換行為，且該極化過程可以通過柵電極進(jìn)行控制。鐵電性是除量子自旋霍爾效應(yīng)、關(guān)聯(lián)效應(yīng)和超導(dǎo)性以外在WTe₂中新發(fā)現(xiàn)的一種重要物理性質(zhì)。

文獻(xiàn)鏈接：Ferroelectric switching of a two-dimensional metal?(Nature?560, 336–339)

2.天然范德華晶體中的面內(nèi)各向異性和超低損耗極化子

研究方向：物理（光學(xué)）特性

在石墨烯和二維范德華材料中存在強大的極化子場限。理論預(yù)測了范德華材料的面內(nèi)各向異性和電子特性可以導(dǎo)致極化子在其表面各向異性傳播，但研究者們在天然材料中還難以觀察到這一現(xiàn)象。蘇州大學(xué)Qiaoliang Bao和西班牙奧維耶多大學(xué)Rainer Hillenbrand團隊報告了極化子沿著一種天然范德華材料，α-MoO₃的表面各向異性傳播。所測量的極化子的振幅壽命為8皮秒，比室溫下石墨烯等離激元的極化子的壽命長十倍多，也是目前報道的氮化硼的聲子極化子和低溫石墨烯等離激元的極化子的4倍。這項研究成果表明范德華材料中的面內(nèi)各向異性和超低損耗極化子可以實現(xiàn)定向的光與物質(zhì)的相互作用，并可以應(yīng)用于生物傳感和量子納米光學(xué)。

文獻(xiàn)鏈接：In-plane anisotropic and ultra-low-loss polaritons in a natural van der Waals crystal?(Nature?562, 557–562)

3.二維Fe₃GeTe₂中室溫下柵壓可調(diào)的鐵磁性

研究方向：物理特性

磁性材料的研究對自旋子器件的發(fā)展有著重大意義。范德華晶體有著很好的化學(xué)穩(wěn)定性，并且厚度很薄，易于調(diào)制。最近研究人員探測到了一些絕緣層狀材料在低溫下的二維磁性，但這些材料的絕緣性質(zhì)和低于室溫的工作條件成為其在電子器件應(yīng)用中不小的障礙。復(fù)旦大學(xué)的Yuanbo Zhang團隊從一種金屬性的層狀材料Fe₃GeTe_2?上分離出單層結(jié)構(gòu)并研究了它的磁輸運性質(zhì)。單層的Fe₃GeTe₂在低溫下仍具有鐵磁性以及面外磁各向異性。更重要的是，他們利用柵壓調(diào)制等技術(shù)使得樣品的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度提高到室溫以上，為未來范德華薄膜材料在電勢可控的電磁器件上的應(yīng)用提供了參考。

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