二維原子晶體材料及應用

  二維原子晶體在電學、熱學、力學、化學及光學方面具有**的特性，可廣泛用于電子、顯示、催化、儲能、生物醫學、復合材料等領域，其代表性材料石墨烯獲得了**關注。近年來，不斷有新的二維材料被發現并得到深入研究，其中包括磷烯、硅烯、鍺烯、鉿烯、錫烯，氮化硼、二硫化鉬、硒化銦、氧化鈦以及過渡金屬碳(氮)化物等。二維原子晶體可相互堆疊，人工調控組成，制備呈現新性質的材料。二維材料范德華異質結構在器件設計與應用方面潛力巨大，已成為當前的研究熱點。未來，通過深入研究二維原子晶體在原子尺度的工作原理，將不同性質的二維材料組合，既可為研發**的微納柔性可穿戴器件奠定基礎，同時也為設計后摩爾時代集成電路與制備新型功能器件開辟新的途徑。

  二維原子晶體是一種原子尺度的層狀晶體材料，其面內存在強有力的化學鍵。但在很長一段時間內，學術界普遍認為根據Landau-Peierls理論，二維原子晶體材料中熱漲落不均勻分布將導致原子位移大于其間距，無法在常溫下穩定存在。利用膠帶在高定向熱解石墨上反復剝離，獲得單層石墨片并由此掀起了石墨烯研究的熱潮。我國石墨烯申請數量已達一萬六千多件，占**總數的62%，但國際布局較為薄弱，在其他國家的占比僅為2.3%。目前，制備石墨烯依然是國內外研究的一個重要方向，圖1介紹了常用的制備方法。此外，還有人研究利用電弧法、切割碳納米管法、氣相等離子體生長技術、靜電沉積法、原位自生模板法制備石墨烯。以石墨烯為代表的二維材料因可能引發一系列顛覆性的技術變革而備受**關注。

  二維原子晶體材料與對應的體材料有不同的電學、光學和力學性質，其表面/體積比會**影響化學活性和機械性能，在信息、能源、醫學等眾多領域具有廣闊的應用前景。近年來，一直不斷有新型二維原子晶體材料被發現并得到深入研究，包括磷烯（phosphorene）、硅烯（silicene）、鍺烯（germanene）、鉿烯（hafnene）、錫烯（stanene），氮化硼（h-BN），二硫化鉬（MoS2）、硒化銦（InSe）、氧化鈦（Ti0.87O2），以及過渡金屬碳(氮)化物MXene（其中M代表Ti、Ta、Cr等前過渡金屬，X代表碳或者氮）等。

  石墨炔 (graphdiyne)二維原子晶體有序度較高，層間距為0.365 nm。研究人員測定了厚度為22nm的石墨炔薄膜的遷移率可達100~500cm2V-1s-1。目前，石墨炔制備工藝仍需優化，離實際應用尚有較長的路要走。

  二維原子晶體材料堆疊成范德華異質結構在器件設計與應用方面具有巨大潛力，已成為近期的研究熱點（見圖2）。具有不同電學及光學性質的二維原子晶體材料相互堆疊，其相鄰層間不再受晶格匹配的限制，沒有成分過渡，能形成原子級陡峭的異質結。因此，可人工調控組成，制備呈現新性質的材料。

  目前，研究人員通過轉移或者CVD生長的方式已成功研制出石墨烯/氮化硼、石墨烯/過渡金屬硫化物、過渡金屬硫化物/過渡金屬硫化物等原子晶體的異質結構。曼徹斯特大學的研究人員還另辟蹊徑，采用水作為主要溶劑制備了穩定、高濃度的水基墨水，并噴墨打印了各類二維材料異質結。他們在塑料或紙上大面積打印了石墨烯/WS2/石墨烯光探測器陣列和只讀存儲器。此外，h-BN可作為無缺陷的隧穿勢壘，在石墨烯/h-BN/石墨烯的器件中，其隧穿I-V曲線呈現出非線性并能實現對勢壘的調節。二維原子晶體材料范德華異質結的優勢在于方便模塊化組合，利用該異質結構己實現光電探測等多種功能。

  Geim團隊在石墨烯中發現電子黏性流，從而拓展了二維材料高載流子遷移率機制的研究。未來，通過深入研究二維原子晶體異質結層間激發的電子結構及在原子尺度的工作原理，將不同性質的二維材料組合，既為進一步研發微納柔性可穿戴器件奠定基礎，同時也為設計后摩爾時代集成電路與制備**的功能化器件開辟新的途徑。

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