“尽管石墨烯赚足了观察力，但真正奇妙的却是这些”

本篇文章4065字，读完约10分钟

用胶带粘贴石墨烯诺奖已经错过了。 现在开始投资石墨烯产业和股票可能太晚了。 但是，真正奇怪的是石墨烯后面巨大的二维材料家族，无论是学者、工程师还是投资者都能给予无限的期待。

(照片为drexel，britt faulstick拍摄)

你是电！ 你是光！ 你是唯一的神话！ 石墨烯一被发现就被困住。 这个小薄片的材料性能几乎完美，简直是为了拯救地球而诞生的。 从太阳能电池到水净化器，从电子晶体管到传感器，所有的问题都想从石墨烯中找到答案。 习主席访问英国，被石墨烯熟知，从科学到投资，从技术到产业，大家都蜂拥到石墨烯来寻找机会。

用胶带贴上石墨烯诺奖，我们已经错过了。 现在开始投资石墨烯产业和股票可能太晚了。 但是，真正奇怪的是石墨烯后面巨大的二维材料家族，无论是学者、工程师还是投资者都能给予无限的期待。 看看今天掌握了石墨烯的什么技能，钱途接近无限的表哥，看看他们是如何手拉手翻云覆雨，掀起了材料科学的新革命。

二维材料显示出与固体材料非常不同的性质。 电子被限制在一个平面内时，运动会变得非常快，得到很高的电子迁移率。 原子级的厚度使二维材料具有柔软性和透光性。 都只剩下巨大的表面和几个原子厚度的侧边，比表面积当然也非常大。 这些二维材料独特的电子、物理、化学和光学性质，在许多行业有很大的快速发展潜力。

二维材料的兴起

你的笔记本电脑越来越薄，但是计算速度越来越快。 这是因为计算机的迅速发展符合摩尔定律。 硅晶体管的单位数量每18个月增加一倍，大小成比例减少。 2025年，硅晶体管的尺寸将达到其物理极限。 用什么材料代替硅？ 这是个问题。

石墨烯曾被认为是替代半导体硅的最大种子选手，但作为电子材料天生就不足。 没有能量间隙。 半导体在自然状态下不导电，只有在一定能量的光、热或外加电场的激励下才能导电。 所需的能量被称为能隙。 石墨烯没有能量隙。 用什么代替硅说话？

为了给石墨烯制造个人能量隙，科学家们也操碎了心。 年，novoselov为nature，通过形成石墨烯纳米带、单一电子晶体管或双层控制和纳米修饰等可以增大石墨烯的能隙，但能隙宽度始终小于360mev， 总之，给石墨烯制造能量缺口是不可靠的。

其实早在2005年，geim和novoselov两位大牛就已经分离出了二次元的mos2，但当时大家都认为其资质平庸，没有深入研究。 到了2007年，kis宣布在北约技术上成功制造了第一个基于单层mos2材料的晶体管( mosfet )，这比以前流传的硅晶体管，向节能的小型低压柔性电子器件的发展更加迅速

这个划时代的进展终于开始关注石墨烯以外的二维材料，特别是tmdc。 2008年，tmdc相关的副本每年只有几个，但现在每天平均发行6个，可以感受到这种高度的研究热情。

经过几年的迅速发展，现在除了石墨烯和tmdc以外，还有六方晶氮化硼( h-bn )、金属有机骨架化合物) mofs )、共享有机骨架化合物) cofs )、过渡金属碳化物/碳氮化物) mxenes )、层状二羟基氧化物) ldhs )

二维材料是如何制作的？

苏格兰的胶水很好，但是粘在一起毕竟是碎片。 要使二维材料真正进入应用行业，关键是要寻找可靠的生产方法。 今天盘点几种主流的制造方法。

(/S2/)机械剥离) )/S2/) :将胶带贴在原材料表面，然后剥离贴在基板上，最后从基板上剥离。 理想的情况是，基板上可以留下一点二维材料的薄片。 这样制作的材料完美地保存了原有的晶格结构，适合用于基础研究。 但是，撕下胶带批量生产显然不靠谱。 产量低自不必说，材料的大小、厚度、尺寸、形状都是随机的。

(/s2/)液状剥离) )/s2/)将材料放入有机溶液中进行超声波振动。 这种振动能阻隔材料层间微弱的范德华力，但不能破坏层内原子之间的共价键，从而剥离二维材料。 选择合适的有机溶液很重要，因为材料和溶液的表面张力很好地吻合，所以剥落很快，很节能。 使用有机溶液有好处，可以防止剥离的二维薄片再次凝聚。 制造出来的东西其实是二维材料的悬浊液。 这种做法虽然高产，但真正的单层二维材料产量低，材料尺寸小，有机溶液的污染也必须解决。

(/s2 ) )离子插入层和剥离) )/s2 ) )实际上是液状剥离法的升级版。 首先在材料层间插入离子，减弱层间范德华力，然后通过超声波振动分离二维薄片。 这种做法不仅产量高，质量也有保证，单层二维材料的生产比例达到90%。 第一个问题是，离子插入层通常是长期的高温反应，而且常用的嵌入剂是有机金属化合物和锂箔，两者一看到水和氧就会爆炸。

化学气相沉积( cvd ) )/s2/)这是最常用的材料沉积方法，将基板材料放入真/(/k0/)反应腔内，使在高温下导入的反应前体气体在基板表面分解或反应，沉积二维材料。 这种方法可以大面积合成优质的二维材料，随尺寸和厚度的变化而变化，但前体还是容易向材料中引入杂质。 另外，还必须处理两个实际问题:1.如何降低反应温度，简化反应过程，提高效率，才能沉积任何基板所需的二维材料。

化学湿法: 通过化学前体在溶液中发生化学反应合成所需的二维材料，通常需要通过表面活性剂来控制材料的尺寸、形状、表面形貌。 常见的化学湿法合成有模板合成、自组织和胶体合成等。 这样的做法价格低，生产率高。 与其他方法相比，所得材料的尺寸和形状也更容易控制。 但是，这种做法最大的问题是不容易得到单层的二维材料。 因为反应过程受反应温度、时间、前体浓度等多种因素的影响。

研究进展

tmdc [/s2/ ]

如何用比较便宜的钱大规模生产均匀、无缺陷的二维材料是一个重要的课题。

年，美国康奈尔大学的jiwoong park在nature上宣布，通过化学气相沉积法在大型硅片(直径10cm )上生长出单层的mos2和ws2薄膜。 这样大面积的材料仍然保持着小尺寸样品的优异的电子性能。 用这些材料制作的数百个晶体管，99%能正常工作。 除了这个单层的tmdc之外，他们还以sio2作为分离层，成功地堆积了多层的tmdc。 可以说解决这种多层结构离实现三维集成电路产业化目标又近了一步。

黑磷，黑磷

年最闪耀的新晋二次元家族成员为黑磷( bp )，二次元黑磷为磷烯) phosphorene )。 与以前研究最广泛的tmdc相比，磷烯有两个显着的优点 :

有天然的直接带隙，能隙宽度取决于0.3-2ev ( )厚度)；

电子迁移率特别高( 1000 cm2v2s-1 )。

年1月，两组研究人员，一组是复旦大学张远波和中国科技大学陈仙辉，另一组是普渡大学的叶培德，几乎都在康奈尔大学的arxiv投稿了论文预印件，剥离了2~3个原子层厚的磷烯，成功制作了基于磷烯的晶体管 林恩一出现就成为新的研究热点，不仅是电子行业，光电、生物医学等行业的林恩报道也相继浮出水面。

林恩的首要问题是太活跃了。 一看到水和氧气就发生反应，不太容易剩下，制作的晶体管也只剩下几分钟了。 今年10月，爱尔兰都柏林三一学院的达米恩·韩隆提出了初步处理方案: 液态剥离法。 不仅实现了批量生产，还处理了磷在空气体中不稳定的问题。 因为使用了能够确保磷和氧隔离的有机溶剂。

另一个划时代的进展来自韩国浦项科技大学的keun su kim。 研究人员利用原位表面掺杂技术将钾原子引入磷烯内，引起斯塔克线的磁分裂效应，控制了磷烯的能隙宽度。 因为在未来，通过调节能量间隙，可以设计并优化磷类电子器件。

沉

有两种方法可以发现新材料。 一个是直接在实验中发现的方法，另一个更酷的方法是预言理论上某种材料的存在，在实验室里到达它的方法。

物理学家们根据热力学稳定性和能带结构的计算预测了大约140种可能存在的二维材料。 以前硅和锗是这样预测的，但在实验室里发现的。

年，美国斯坦福大学的张首晟从理论上预言了拓扑绝缘体锡恩( stanene )的存在。

理论表明，锡安具有直接带隙和超高的导电效率，这给摩尔定律的延续带来了新的希望。 年8月，上海交通大学钱冬，贾金锋与张首晟合作，在nature materials上首次报道成功制造了烯烃锡。 虽然目前拓扑绝缘体的性能还不完全清楚，但是材料学家们对锡安的未来非常乐观。

应用前景

二维材料不仅具有优良的物理、化学、光学性质，而且数量庞大，为未来的应用提供了越来越多的选择。 都柏林圣三一学院的jonathan coleman说，不管你需要什么材料特性，有些二维材料总是适合你的。 目前，研究者广泛探索二维材料在电子、光电、催化剂、传感、超级电容器、太阳能电池及锂离子电池等行业的应用。 以下只列举目前比较成熟的三种。

电子

mos2、ws2、wse2、zrs2等二维tmdc材料大多为半导体，能隙约为1-2ev (硅的能隙为1.1ev )，比石墨烯和硅低但比非晶硅高， 基于二维tmdc制造的晶体管具有高i/o比和低s因子。 另外，二维材料力学性能优良，有望制造高性能柔性电子器件。

储存

许多二维材料兼具比表面积高、固有电导率高、抗氧化性好的特点，适合作为超级电容器的电极材料。 研究表明，采用tmdc、mxenes和ldh等二维材料作为电极材料，可以制造大容量、高能量、高能量密度的超级电容器。

催化剂，催化剂

二维材料超大比表面积在催化剂特别是电催化行业应用前景广阔。 单层mos2和ws2在电催化氢分解反应中都显示出很高的催化活性。 氢离子在mos2端的吸附能接近pt，mos2有望代替pt成为电催化氢分解反应的高效催化剂。

结语

二维材料实际进入人们眼中短短几年，已经迅速成为世界材料行业的热门，层出不穷的新发现和新突破，受欢迎程度堪比2005年的石墨烯。 二维材料的材料性能还有待探索，但产业化道路也很沉重。 但是，对二维材料的期待，已经不仅局限于棒硅材料，还延续了摩尔定律。 二维材料正在引发材料行业的革命，但我们有理由相信最令人兴奋的时刻还没有到来。

来源：UI科技日报