二维原子晶体材料及应用

  二维原子晶体在电学、热学、力学、化学及光学方面具有**的特性，可广泛用于电子、显示、催化、储能、生物医学、复合材料等领域，其代表性材料石墨烯获得了**关注。近年来，不断有新的二维材料被发现并得到深入研究，其中包括磷烯、硅烯、锗烯、铪烯、锡烯，氮化硼、二硫化钼、硒化铟、氧化钛以及过渡金属碳(氮)化物等。二维原子晶体可相互堆叠，人工调控组成，制备呈现新性质的材料。二维材料范德华异质结构在器件设计与应用方面潜力巨大，已成为当前的研究热点。未来，通过深入研究二维原子晶体在原子尺度的工作原理，将不同性质的二维材料组合，既可为研发**的微纳柔性可穿戴器件奠定基础，同时也为设计后摩尔时代集成电路与制备新型功能器件开辟新的途径。

  二维原子晶体是一种原子尺度的层状晶体材料，其面内存在强有力的化学键。但在很长一段时间内，学术界普遍认为根据Landau-Peierls理论，二维原子晶体材料中热涨落不均匀分布将导致原子位移大于其间距，无法在常温下稳定存在。利用胶带在高定向热解石墨上反复剥离，获得单层石墨片并由此掀起了石墨烯研究的热潮。我国石墨烯申请数量已达一万六千多件，占**总数的62%，但国际布局较为薄弱，在其他国家的占比仅为2.3%。目前，制备石墨烯依然是国内外研究的一个重要方向，图1介绍了常用的制备方法。此外，还有人研究利用电弧法、切割碳纳米管法、气相等离子体生长技术、静电沉积法、原位自生模板法制备石墨烯。以石墨烯为代表的二维材料因可能引发一系列颠覆性的技术变革而备受**关注。

  二维原子晶体材料与对应的体材料有不同的电学、光学和力学性质，其表面/体积比会**影响化学活性和机械性能，在信息、能源、医学等众多领域具有广阔的应用前景。近年来，一直不断有新型二维原子晶体材料被发现并得到深入研究，包括磷烯（phosphorene）、硅烯（silicene）、锗烯（germanene）、铪烯（hafnene）、锡烯（stanene），氮化硼（h-BN），二硫化钼（MoS2）、硒化铟（InSe）、氧化钛（Ti0.87O2），以及过渡金属碳(氮)化物MXene（其中M代表Ti、Ta、Cr等前过渡金属，X代表碳或者氮）等。

  石墨炔 (graphdiyne)二维原子晶体有序度较高，层间距为0.365 nm。研究人员测定了厚度为22nm的石墨炔薄膜的迁移率可达100~500cm2V-1s-1。目前，石墨炔制备工艺仍需优化，离实际应用尚有较长的路要走。

  二维原子晶体材料堆叠成范德华异质结构在器件设计与应用方面具有巨大潜力，已成为近期的研究热点（见图2）。具有不同电学及光学性质的二维原子晶体材料相互堆叠，其相邻层间不再受晶格匹配的限制，没有成分过渡，能形成原子级陡峭的异质结。因此，可人工调控组成，制备呈现新性质的材料。

  目前，研究人员通过转移或者CVD生长的方式已成功研制出石墨烯/氮化硼、石墨烯/过渡金属硫化物、过渡金属硫化物/过渡金属硫化物等原子晶体的异质结构。曼彻斯特大学的研究人员还另辟蹊径，采用水作为主要溶剂制备了稳定、高浓度的水基墨水，并喷墨打印了各类二维材料异质结。他们在塑料或纸上大面积打印了石墨烯/WS2/石墨烯光探测器阵列和只读存储器。此外，h-BN可作为无缺陷的隧穿势垒，在石墨烯/h-BN/石墨烯的器件中，其隧穿I-V曲线呈现出非线性并能实现对势垒的调节。二维原子晶体材料范德华异质结的优势在于方便模块化组合，利用该异质结构己实现光电探测等多种功能。

  Geim团队在石墨烯中发现电子黏性流，从而拓展了二维材料高载流子迁移率机制的研究。未来，通过深入研究二维原子晶体异质结层间激发的电子结构及在原子尺度的工作原理，将不同性质的二维材料组合，既为进一步研发微纳柔性可穿戴器件奠定基础，同时也为设计后摩尔时代集成电路与制备**的功能化器件开辟新的途径。

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