以下匯總了近幾個(gè)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(chǔ)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(tuán)隊(duì)，蘇州大學(xué)的鮑橋梁團(tuán)隊(duì)，以及復(fù)旦大學(xué)的張遠(yuǎn)波團(tuán)隊(duì)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(chǔ)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(tuán)隊(duì)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(qiáng)度來控制水分子的流量。作者們同時(shí)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(dòng)力學(xué)的影響。這個(gè)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(fèi)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(shí)鐘頻率。德國亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心Michael Gensch團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(shí)鐘頻率下高效地運(yùn)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(chǔ)存
研究方向：儲(chǔ)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(tuán)隊(duì)和德國烏爾姆大學(xué)Ute Kaiser團(tuán)隊(duì)采用了一種低壓原位TEM，實(shí)現(xiàn)了對雙層石墨烯中鋰離子可逆插層和排列的實(shí)時(shí)觀測。研究團(tuán)隊(duì)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(jì)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(chǔ)存容量遠(yuǎn)超LiC6結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)研究揭示了一種全新的離子在二維層狀材料中的儲(chǔ)存機(jī)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(bào)道了一項(xiàng)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(tuán)隊(duì)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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)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(gè)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(tuán)隊(duì)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(kuò)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(dòng)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(xiàng)挑戰(zhàn)。美國加州大學(xué)洛杉磯分校的Xiangfeng Duan和Yu Huang團(tuán)隊(duì)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(bào)道了一些二維材料的電磁特性，如WTe2?的鐵電反轉(zhuǎn)，F(xiàn)e3GeTe2的鐵磁性等。除此之外，還報(bào)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(shí)，它們的性質(zhì)往往會(huì)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(tuán)隊(duì)首次驗(yàn)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(shí)，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(qiáng)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(tuán)隊(duì)報(bào)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(bào)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(xiàng)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(shí)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(tuán)隊(duì)從一種金屬性的層狀材料Fe3GeTe2?上分離出單層結(jié)構(gòu)并研究了它的磁輸運(yùn)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。
本文來自材料牛，本文觀點(diǎn)不代表利特納米立場，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者。
]]>不過，對Andras Kis而言并非如此。Kis表示，與石墨烯一樣不可思議的是，“我覺得必須超越碳”。因此，在2008年，當(dāng)他有機(jī)會(huì)在瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）組建自己的納米電子學(xué)研究團(tuán)隊(duì)時(shí)，Kis專注于研究一種超平材料。
這些材料有一個(gè)“笨拙”的名字：過渡金屬硫化物（TMDC），但它們具有相當(dāng)簡單的二維結(jié)構(gòu)。鉬或鎢等過渡金屬原子的單排結(jié)構(gòu)，夾在同樣薄的硫元素層之間，例如硫和硒——在元素周期表中，它們均位于氧元素的下方。Kis表示，TMDC幾乎與石墨烯同樣薄、透明和靈活?！暗鼈兡婷畹鼐偷玫揭粋€(gè)沒有趣的名聲，我認(rèn)為它們應(yīng)該有第二次機(jī)會(huì)?！?/p>
他是對的。很快，研究人員發(fā)現(xiàn)，不同基礎(chǔ)成分搭配制成的TMDC具有大范圍的電子和光學(xué)特性。例如，與石墨烯不同，許多TMDC是半導(dǎo)體，這意味著它們有潛力被制成分子級別的數(shù)字處理器，并比硅更加節(jié)能。
在幾年中，全世界大量實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)加入了追尋這種二維材料的行列?！白畛跏且环N，然后是兩種、三種，突然間，變成了二維材料王國?！盞is說。從2008年的零星出版，到現(xiàn)在每天6篇出版物問世，二維TMDC不斷發(fā)展。物理學(xué)家認(rèn)為可能有約500種二維材料，不只石墨烯和TMDC，還包括單層金屬氧化物和單元素材料?！叭绻阆胍粋€(gè)給定屬性的二維材料，那么你將能找到一個(gè)?！睈蹱柼m都柏林三一學(xué)院物理學(xué)家Jonathan Coleman說。
“每一個(gè)都像樂高積木，如果你將它們拼在一起，或許就能做出一個(gè)全新的東西。”Kis說。
平面大冒險(xiǎn)
僅幾個(gè)原子厚度的材料，就能有非常不同的基本特性?！凹幢銐K體材料乏善可陳，但如果你能將它變?yōu)槎S形式，它會(huì)打開新的大門?！敝袊鴱?fù)旦大學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)蹜B(tài)物理學(xué)家張遠(yuǎn)波說。
碳就是一個(gè)典型的案例。2004年，物理學(xué)家Andre Geim和Konstantin Novoselov首次報(bào)告稱，他們在英國曼徹斯特大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室分離出了石墨烯。他們的技術(shù)非常簡單?；静襟E是，在石墨薄片上按壓一條膠帶，然后將膠帶撕下，膠帶上就殘留有一些原子厚度的薄層。通過重復(fù)該過程，他們最終得到了單原子層，于是Geim和Novoselov得以開始研究石墨烯的特性。該研究獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
物理學(xué)家很快開發(fā)出該物質(zhì)的許多應(yīng)用特性，從制作可彎曲屏幕到能源儲(chǔ)存。但不幸的是，石墨烯并不適用于數(shù)字電子學(xué)領(lǐng)域。而對于這一領(lǐng)域而言，理想材料是半導(dǎo)體。
不過，Geim和Novoselov在制作石墨烯方面獲得的成功激勵(lì)了其他研究人員。Kis等人開始探索可替代的二維材料。于是，他們瞄準(zhǔn)了TMDC。到2010年，Kis團(tuán)隊(duì)利用TMDC二硫化鉬制出了首個(gè)單層晶體管，并預(yù)測有一天這些設(shè)備能提供柔性電子。2010年的諸多研究顯示，二硫化鉬能有效吸收和發(fā)射光，使其有望用于太陽能電池和光電探測器。
法國圖盧茲物理和化學(xué)納米實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家Bernhard Urbaszek表示，單層TMDC能捕獲超過10%的攝入光子，這對于3個(gè)原子厚度的材料而言是一個(gè)不可思議的數(shù)字。這也幫助他們解決了另一個(gè)問題：將光轉(zhuǎn)化為電。當(dāng)光子撞到這個(gè)三層晶體管上時(shí)，能推動(dòng)電子穿越能隙，并允許其穿過一個(gè)外部電路。每個(gè)自由電子會(huì)在該晶體中留下一個(gè)真空區(qū)，這里是電子本來的位置—— 一個(gè)帶正電荷的洞。加上電壓后，這些洞和電子會(huì)向不同的方向循環(huán)，從而產(chǎn)生一個(gè)電流凈流。
該過程還能被逆轉(zhuǎn)，即將電轉(zhuǎn)化為光。如果電子和真空洞被從一個(gè)外部環(huán)路注入TMDC，當(dāng)它們相遇時(shí)就會(huì)再次組合然后釋放光子。這種光電相互轉(zhuǎn)化的能力使得TMDC有望被用于利用光傳輸信息、用作微小的低功率光源，甚至激光。
不過，二硫化鉬的電子遷移速率仍然不夠高，很難在擁擠的電子市場中具有競爭優(yōu)勢。其原因是這種材料的結(jié)構(gòu)特征，電子在其內(nèi)部移動(dòng)時(shí)，碰到較大的金屬原子后會(huì)在其結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生彈離，從而降低遷移速度。
今年，4個(gè)不同的研究小組均發(fā)現(xiàn)，TMDC二硒化鎢能吸收和釋放單個(gè)光子。Urbaszek提到，而量子密碼和通訊領(lǐng)域正是需要這樣的發(fā)射器，當(dāng)你“按下按鈕，就能得到一個(gè)光子”?，F(xiàn)有的單光子發(fā)射器通常由塊狀半導(dǎo)體制成，而二維材料將更小且更容易與其他設(shè)備集成。
元素偏移
也有研究小組正在探索元素周期表的不同部分。張遠(yuǎn)波小組和美國普渡大學(xué)的Peide Ye研究組，在去年成功制備了基于新型二維晶體黑磷的場效應(yīng)晶體管器件。這一新型二維半導(dǎo)體材料是繼石墨烯、二硫化鉬之后的又一重要進(jìn)展，為二維晶體材料家族增添了一位新成員。
黑磷是磷的一種同素異形體，是由單層的磷原子堆疊而成的二維晶體。與石墨烯最大的不同是，黑磷有一個(gè)半導(dǎo)體能隙，而且比硅烯更穩(wěn)定。黑磷的半導(dǎo)體能隙是個(gè)直接能隙，將增強(qiáng)其和光的直接耦合，讓黑磷成為未來光電器件（例如光電傳感器）的一個(gè)備選材料。
不過，與其他純元素二維材料一樣，黑磷能與氧氣和水發(fā)生非常強(qiáng)的反應(yīng)?！霸?4小時(shí)后，我們可以看到材料表面的氣泡，然后整個(gè)設(shè)備在數(shù)日內(nèi)就會(huì)失效?！钡弥荽髮W(xué)奧斯汀分校二維黑磷單晶專家Joon-Seok Kim說。如果要使其持續(xù)數(shù)小時(shí)，就需要將它夾在其他材料層之間。這種天然的不穩(wěn)定性，使制造設(shè)備十分困難。因此，法國艾克斯·馬賽大學(xué)物理學(xué)家Guy Le Lay預(yù)計(jì)，目前有關(guān)黑磷的80%的論文仍停留在理論階段。
而且，中國臺(tái)灣新竹“國立清華大學(xué)”材料學(xué)教授Yi-Hsien Lee也表示，二維黑磷單晶之所以獲得一些研究人員的青睞，是因?yàn)檫@種材料易于上手——像石墨烯那樣，可以輕而易舉地用透明膠帶剝落黑鱗的薄片。“這是同一種方法。但這并不意味著，二維黑磷單晶前景大好?！?/p>
盡管如此，張遠(yuǎn)波和Ye在制造黑磷晶體管方面仍取得成功。而且，今年首個(gè)硅烯晶體管問世。兩年前，科學(xué)家曾指出，現(xiàn)有技術(shù)無法制造硅烯晶體管?！耙虼?，預(yù)測未來通常十分危險(xiǎn)?！盠e Lay開玩笑稱。但Le Lay認(rèn)為仍有困難難以克服。
正當(dāng)一些物理學(xué)家在尋找新二維材料，并試圖弄清其特性時(shí)，其他人則在將它們夾在一起?！芭c試圖選出一種材料并說這是最好的不同，或許最好的方法是將它們以某種方式結(jié)合在一起，以便它們不同的特性能被適當(dāng)應(yīng)用?！盞is說。這可能意味著，堆積不同的二維材料，制成微小、密集三維環(huán)路。
實(shí)際預(yù)測
歐盟石墨烯旗艦項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、瑞典歌德堡查爾姆斯理工大學(xué)物理學(xué)家Jari Kinaret表示，當(dāng)前圍繞二維材料的熙攘，讓人聯(lián)想到2005年石墨烯帶給人們的興奮。該項(xiàng)目也研究其他二維材料。但Kinaret警告稱，可能需要20年才能預(yù)估這些材料的潛在性能。“最初的二維材料研究主要關(guān)注其電子特性，因?yàn)檫@更接近物理學(xué)家的內(nèi)心?！盞inaret說，“但我認(rèn)為，這些應(yīng)用如果能到來，可能完全出乎意料。”
那些在實(shí)驗(yàn)室里看上去很好的材料，通常在現(xiàn)實(shí)世界里無法發(fā)揮其功效。所有二維材料面臨的一個(gè)重要問題是，如何便宜地制造統(tǒng)一、無缺陷的薄層?！罢硯Х椒ā蹦芎芎玫剡m用于TMDC和黑磷，但卻浪費(fèi)時(shí)間。而且，在制作塊體黑磷時(shí)，該方法成本較高。目前，沒有人能從零開始完善單層二維材料的制備，更不必說物理學(xué)家認(rèn)為有前途的分層結(jié)構(gòu)了。“需要很長時(shí)間制作我們的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。”華盛頓大學(xué)物理學(xué)家徐曉東（音譯）說，“我們?nèi)绾文芗铀倩蜃詣?dòng)制備？還有很多工作需要做?！?/p>
這些實(shí)際問題將妨礙二維材料實(shí)現(xiàn)其最初的“愿景”。“有許多這樣的工作，結(jié)果只是一時(shí)狂熱?！盞is說，“但我認(rèn)為如此多的材料和不同特性，將能確保產(chǎn)出一些結(jié)果。”同時(shí)，Coleman指出，二維材料王國正在擴(kuò)張。單層砷烯也已經(jīng)在研究人員頭腦里占有一席之地。
“當(dāng)人們開始擴(kuò)展范圍時(shí)，他們會(huì)發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)良性能的新材料?！盋oleman說，“最令人興奮的二維材料可能尚未制作出來?！保◤堈拢?/p> ]]>
自從發(fā)現(xiàn)石墨烯有著優(yōu)異性能以來，二維的層狀材料比如金屬硫化物，過渡金屬氧化物，以及其他的二維復(fù)合物再次引起了人們的興趣。過渡金屬二硫化物是由六方的金屬原子夾在兩層狀硫族元素原子之間構(gòu)成的。硫族元素和過渡金屬的結(jié)合，形成了超過40種不同類型的過渡金屬二硫化物。層狀的過渡金屬氧化物如MoO3，La2CuO4，絕緣的h-BN，拓?fù)浣^緣體Bi2Te3,Sb2Se3，Bi2Se3，這些層狀材料的共同特點(diǎn)是堆積的三維晶體結(jié)構(gòu)。相鄰的片層之間受范德瓦爾力的相互影響。這些材料橫跨電子結(jié)構(gòu)從絕緣體到金屬的整個(gè)范圍，表現(xiàn)出非常優(yōu)異的性能，比如拓?fù)浣^緣體效應(yīng)、超導(dǎo)性、熱電性等等。與此同時(shí)，第四主族的類石墨烯二維納米微片也引起了高度關(guān)注。硅烯和鍺烯，硅基或鍺基的類石墨烯材料，已經(jīng)在近幾年的時(shí)間內(nèi)，由理論預(yù)測到了實(shí)驗(yàn)觀察階段。
二維材料展示了獨(dú)特的物理性質(zhì)。這些性質(zhì)也被他們所對應(yīng)的塊材所擁有，包括電荷密度波，拓?fù)浣^緣體，二維電子氣的物理，超導(dǎo)現(xiàn)象，自發(fā)磁化和各向異性的傳輸特性等。二維層狀材料在電池，電致變色顯示，化妝品，催化劑，和固體潤滑劑等方面有著一系列廣泛的應(yīng)用。
同層的連續(xù)減薄到單層尺寸，層狀塊材的固有性質(zhì)將被改變。隨著該領(lǐng)域研究的不斷壯大，許多單層材料具有的物理、電子獨(dú)特及結(jié)構(gòu)性能出現(xiàn)了。令人振奮的例子之一是發(fā)現(xiàn)在分層的大量過渡金屬硫族化合物（MoS2，WS2， TISe2， Bi2Se3）接近單層厚度。這些材料，特別是展現(xiàn)高遷移率和維持一個(gè)帶隙接近數(shù)層系統(tǒng)。一個(gè)特殊的例子是二硫化鉬，有著200 cm2/（VS）的電子遷移率。二硫化鉬也經(jīng)歷了間接的相位變化帶來的直接帶隙半導(dǎo)體與隨行光致發(fā)光，作為一種可能的2D晶體管材料。其他金屬硫族化合物，尤其是Bi2Se3，Sb2Te3和Bi2Te3，展現(xiàn)了熱電和拓?fù)浣^緣體性能，吸引了對于未來應(yīng)用的興趣。
其他獨(dú)特的化學(xué)方法研制新型二維材料也出現(xiàn)了。通過三元碳化物，氮化物和碳氮化物與氟化氫(HF)提高了層狀金屬碳化物和氮化系統(tǒng)的性能。被稱為MXenes的材料，如Ti3C2 ， Ti2C ，Ta4C3和TI3(C0.5N0.5)2 ，已經(jīng)形成。
石墨烯加氫帶來了石墨烷。石墨烷是一個(gè)完全飽和烴的2D化學(xué)分子式為SP3雜化的CH，其帶隙5.4 eV。石墨烷缺口保留靈活性，二維平面度，及多石墨烯的強(qiáng)度，但它的是絕緣體。石墨烷缺乏石墨烯的狄拉克錐。但是石墨烯和石墨烷缺乏直接帶隙，從而使這些材料無法實(shí)現(xiàn)在光電方面的應(yīng)用。
石墨烯的具體進(jìn)展和石墨烷帶動(dòng)更大的對于半導(dǎo)體硅和鍺的興趣，硅烯和鍺烯。兩者的這些材料被預(yù)測為有混合sp2和sp3雜化，這導(dǎo)致褶皺在硅和鍺原子保留了半導(dǎo)電特性的層狀塊材。硅烯已被證明通過蒸汽實(shí)驗(yàn)生長在銀基板。它有有趣的物理和電子屬性。硅烯展示高流動(dòng)性，特征狄拉克錐，并打開一個(gè)帶隙，且與所施加的電場成正比。然而硅烯需要一個(gè)支撐層如銀，二硼化鋯，或銥，所有這些材料都導(dǎo)電，從而消除了整體的硅烯的性能。
所有這些二維材料，特別是鍺或硅為基礎(chǔ)的二維材料其非零帶隙，在提供技術(shù)顯著的承諾領(lǐng)域，如稀釋劑晶體管，太陽能電池，光電檢測器的材料。這些材料是唯一能展示基礎(chǔ)物理的行為的新組合，如光致發(fā)光，狄拉克錐和出色的傳輸特性。臨近2D，物理的基本材料屬性顯示來自不同的這些層狀材料。新并列薄的材料特性維提供多少承諾在技術(shù)無限陣列應(yīng)用范圍從熱電，透明電極電池，超薄的太陽能電池，并高流動(dòng)性電子躍遷裝置，將新的光電器件。新興的二維層狀半導(dǎo)體石墨和石墨烷材料類似物，如硅烯，鍺烯和硅烷提供很多令人興奮的可用的未來電子材料。
近日，二維晶體材料家族再添新成員——黑磷。中國科學(xué)家最近成功制備出基于新型二維晶體黑磷的場效應(yīng)晶體管器件，這是國際科學(xué)界繼石墨烯（其發(fā)現(xiàn)者獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）之后的又一重要進(jìn)展，其在納米電子器件應(yīng)用方面具有極大潛力。該成果發(fā)表在最新一期國際學(xué)術(shù)期刊《自然?納米科技》上。
場效應(yīng)管是現(xiàn)代電子工業(yè)的基礎(chǔ)型器件，其傳統(tǒng)原材料是硅，但硅的制造工藝正逼近“天花板”。此后，單層原子厚度的石墨烯被發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著二維晶體成為一類可能影響未來電子技術(shù)的新型材料，然而二維石墨烯的電子結(jié)構(gòu)中不具備能隙，無法實(shí)現(xiàn)電流的“開”和“關(guān)”，弱化了其取代計(jì)算機(jī)半導(dǎo)體開關(guān)的前景?？茖W(xué)家們探索并提出了幾種替換材料，如單層硅、單層鍺，但這些材料都不穩(wěn)定，不利于應(yīng)用。近年來，科學(xué)家們努力尋找新型材料，希望進(jìn)一步提高場效應(yīng)管的性能。
針對上述挑戰(zhàn)，中國科技大學(xué)陳仙輝教授課題組與復(fù)旦大學(xué)張遠(yuǎn)波教授、封東來教授和吳驊教授課題組合作，成功制備出基于具有能隙的二維黑磷場效應(yīng)晶體管。實(shí)驗(yàn)顯示，這種材料厚度小于7.5納米時(shí)，在室溫下可得到可靠的晶體管性能，漏電流的調(diào)制幅度在10萬量級，電流-電壓特征曲線展現(xiàn)出良好的電流飽和效應(yīng)。這些性能表明，其在納米電子器件應(yīng)用方面具有極大潛力。
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