看二維材料王國開疆拓土

時間：2016-02-20作者：南京牧科納米科技有限公司瀏覽：65

	多個類型的平面材料堆砌在一起，可能展現(xiàn)每個的較佳性能。圖片來源：H. Terrones et al


	物理學(xué)家習(xí)慣使用他們所能想到的較好的詞語來形容石墨烯。這絲薄的單原子厚度的碳是靈活、透明的，比鋼強(qiáng)、比銅導(dǎo)電好，雖然非常薄，但它實(shí)際上是二維材料。在2004年被分離出來后不久，石墨烯就成為全世界研究人員癡迷的對象。


	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，“我覺得必須追趕碳”。因此，在2008年，當(dāng)他**會在瑞士聯(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，Kis專注于研究一種**平材料。


	這些材料有一個“笨拙”的名字：過渡金屬化物（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)，夾在同樣薄的元素層之間，例如和——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€沒有趣的名聲，我認(rèn)為它們應(yīng)該有*二次機(jī)會?！?


	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，并比硅較加節(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?！拜^初是一種，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€給定屬性的二維材料，那么你將能找到一個?！睈蹱柼m都柏林三一學(xué)院物理學(xué)家Jonathan Coleman說。


	“每一個都像樂高積木，如果你將它們拼在一起，或許就能做出一個全新的東西?！盞is說。


	平面大冒險


	僅幾個原子厚度的材料，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。


	碳就是一個典型的案例。2004年，物理學(xué)家Andre Geim和Konstantin Novoselov**報告稱，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。基本步驟是，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，他們較終得到了單原子層，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。


	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二化鉬制出了一個單層晶體管，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，二化鉬能有效吸收和**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**過10%的攝入光子，這對于3個原子厚度的材料而言是一個不可思議的數(shù)字。這也幫助他們解決了另一個問題：將光轉(zhuǎn)化為電。當(dāng)光子撞到這個三層晶體管上時，能推動電子穿越能隙，并允許其穿過一個外部電路。每個自由電子會在該晶體中留下一個真空區(qū)，這里是電子本來的位置—— 一個帶正電荷的洞。加上電壓后，這些洞和電子會向不同的方向循環(huán)，從而產(chǎn)生一個電流凈流。


	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外部環(huán)路注入TMDC，當(dāng)它們相遇時就會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)部移動時，碰到較大的金屬原子后會在其結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生彈離，從而降低遷移速度。


	今年，4個不同的研究小組均發(fā)現(xiàn)，TMDC二化鎢能吸收和釋放單個光子。Urbaszek提到，而**密碼和通訊領(lǐng)域正是需要這樣的**器，當(dāng)你“按下按鈕，就能得到一個光子”。現(xiàn)有的單光子**器通常由塊狀半導(dǎo)體制成，而二維材料將較小且較容易與其他設(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。與石墨烯較大的不同是，黑磷有一個半導(dǎo)體能隙，而且比硅烯較穩(wěn)定。黑磷的半導(dǎo)體能隙是個直接能隙，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小時后，我們可以看到材料表面的氣泡，然后整個設(shè)備在數(shù)日內(nèi)就會失效。”得州大學(xué)奧斯汀分校二維黑磷單晶*Joon-Seok Kim說。如果要使其持續(xù)數(shù)小時，就需要將它夾在其他材料層之間。這種**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，中國閩臺新竹“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?！斑@是同一種方法。但這并不意味著，二維黑磷單晶前景大好。”


	盡管如此，張遠(yuǎn)波和Ye在制造黑磷晶體管方面仍**成功。而且，今年一個硅烯晶體管問世。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?！耙虼耍A(yù)測未來通常十分危險?！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，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較好的不同，或許較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?！拜^初的二維材料研究主要關(guān)注其電子特性，因?yàn)檫@較接近物理學(xué)家的內(nèi)心。”Kinaret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)時間。而且，在制作塊體黑磷時，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，較不必說物理學(xué)家認(rèn)為有前途的分層結(jié)構(gòu)了?！靶枰荛L時間制作我們的異質(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)绾文芗铀倩蜃詣又苽?？還有很多工作需要做?！?


	這些實(shí)際問題將妨礙二維材料實(shí)現(xiàn)其較初的“愿景”。“有許多這樣的工作，結(jié)果只是一時狂熱?！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，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，他們會發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)良性能的新材料。”Coleman說，“較令人興奮的二維材料可能尚未制作出來?！保◤堈拢?


	



	


南京牧科納米科技有限公司專注于石墨烯,類石墨烯,二維單晶,黑磷,氮化硼,化鉬等

• 詞條

  詞條說明

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• 石墨烯及二維材料的解理**重大突破－－壁虎爪子的啟示

  石墨烯自從2004年被報道以來，得到了廣泛和深入的研究，以其優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)，光學(xué)和電學(xué)等性質(zhì)，石墨烯的發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們對二維材料探索的熱情。眾所周知，Geim組**次發(fā)現(xiàn)石墨烯是通過一種簡單的方法，用膠帶將機(jī)械解理的石墨轉(zhuǎn)移到二氧化硅基底上。作為二維材料研究的**，A. Geim和 K.S NoVoselov也因此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎。這種簡單有效的方法在近十多年來被廣泛應(yīng)用到其他二維材料

• 追趕石墨烯……

  單層石墨烯（上）激發(fā)了科學(xué)家探索半導(dǎo)體單晶材料——如二維黑磷單晶（中）和二硫化鉬（下）——的熱情。圖片來源： C. BICKEL 通常情況下，膠帶不會被看作是一種具有科學(xué)突破性的進(jìn)展。但是當(dāng)英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖羅夫（Konstantin Novoselov）（兩人在2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎）2004年與同事在《科學(xué)》雜志發(fā)表了他們的研