二維原子晶體材料及應(yīng)用

  二維原子晶體在電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)及光學(xué)方面具有**的特性，可廣泛用于電子、顯示、催化、儲(chǔ)能、生物醫(yī)學(xué)、復(fù)合材料等領(lǐng)域，其代表性材料石墨烯獲得了**關(guān)注。近年來(lái)，不斷有新的二維材料被發(fā)現(xiàn)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(guò)渡金屬碳(氮)化物等。二維原子晶體可相互堆疊，人工調(diào)控組成，制備呈現(xiàn)新性質(zhì)的材料。二維材料范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)在器件設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面潛力巨大，已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。未來(lái)，通過(guò)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(zhì)的二維材料組合，既可為研發(fā)**的微納柔性可穿戴器件奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也為設(shè)計(jì)后摩爾時(shí)代集成電路與制備新型功能器件開(kāi)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(nèi)存在強(qiáng)有力的化學(xué)鍵。但在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為根據(jù)Landau-Peierls理論，二維原子晶體材料中熱漲落不均勻分布將導(dǎo)致原子位移大于其間距，無(wú)法在常溫下穩(wěn)定存在。利用膠帶在高定向熱解石墨上反復(fù)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(guó)石墨烯申請(qǐng)數(shù)量已達(dá)一萬(wàn)六千多件，占**總數(shù)的62%，但國(guó)際布局較為薄弱，在其他國(guó)家的占比僅為2.3%。目前，制備石墨烯依然是國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)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(zhǎng)技術(shù)、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(fā)一系列顛覆性的技術(shù)變革而備受**關(guān)注。

  二維原子晶體材料與對(duì)應(yīng)的體材料有不同的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，其表面/體積比會(huì)**影響化學(xué)活性和機(jī)械性能，在信息、能源、醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)，一直不斷有新型二維原子晶體材料被發(fā)現(xiàn)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(guò)渡金屬碳(氮)化物MXene（其中M代表Ti、Ta、Cr等前過(guò)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(cè)定了厚度為22nm的石墨炔薄膜的遷移率可達(dá)100~500cm2V-1s-1。目前，石墨炔制備工藝仍需優(yōu)化，離實(shí)際應(yīng)用尚有較長(zhǎng)的路要走。

  二維原子晶體材料堆疊成范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)在器件設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面具有巨大潛力，已成為近期的研究熱點(diǎn)（見(jiàn)圖2）。具有不同電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)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(méi)有成分過(guò)渡，能形成原子級(jí)陡峭的異質(zhì)結(jié)。因此，可人工調(diào)控組成，制備呈現(xiàn)新性質(zhì)的材料。

  目前，研究人員通過(guò)轉(zhuǎn)移或者CVD生長(zhǎng)的方式已成功研制出石墨烯/氮化硼、石墨烯/過(guò)渡金屬硫化物、過(guò)渡金屬硫化物/過(guò)渡金屬硫化物等原子晶體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。曼徹斯特大學(xué)的研究人員還另辟蹊徑，采用水作為主要溶劑制備了穩(wěn)定、高濃度的水基墨水，并噴墨打印了各類二維材料異質(zhì)結(jié)。他們?cè)谒芰匣蚣埳洗竺娣e打印了石墨烯/WS2/石墨烯光探測(cè)器陣列和只讀存儲(chǔ)器。此外，h-BN可作為無(wú)缺陷的隧穿勢(shì)壘，在石墨烯/h-BN/石墨烯的器件中，其隧穿I-V曲線呈現(xiàn)出非線性并能實(shí)現(xiàn)對(duì)勢(shì)壘的調(diào)節(jié)。二維原子晶體材料范德華異質(zhì)結(jié)的優(yōu)勢(shì)在于方便模塊化組合，利用該異質(zhì)結(jié)構(gòu)己實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)等多種功能。

  Geim團(tuán)隊(duì)在石墨烯中發(fā)現(xiàn)電子黏性流，從而拓展了二維材料高載流子遷移率機(jī)制的研究。未來(lái)，通過(guò)深入研究二維原子晶體異質(zhì)結(jié)層間激發(fā)的電子結(jié)構(gòu)及在原子尺度的工作原理，將不同性質(zhì)的二維材料組合，既為進(jìn)一步研發(fā)微納柔性可穿戴器件奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也為設(shè)計(jì)后摩爾時(shí)代集成電路與制備**的功能化器件開(kāi)辟新的途徑。

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