石墨烯后又一轮超级材料创新高潮袭来

多种类型的平面材料堆叠在一起可能会显示出各自的最佳性能。资料来源:H. Terrones等人

物理学家习惯用他们能想到的最好的词来描述石墨烯。这种薄的单原子碳柔软透明，比钢更强，比铜更好。虽然它很薄，但实际上是一种二维材料。石墨烯在2004年被分离后不久，就成为了世界各地研究人员的一个迷。

然而，安朵斯·基斯的情况并非如此。Kis说，就像石墨烯一样，“我认为我们必须超越碳”，这是不可思议的。因此，在2008年，当他有机会在瑞士联邦理工学院(EPFL)组建自己的纳米电子学研究团队时，基斯专注于研究一种超扁平材料。

这些材料有一个“笨拙”的名字:过渡金属硫化物(TMDC)，但它们有一个相当简单的二维结构。过渡金属原子如钼或钨的单行结构夹在同样薄的硫元素层之间，如硫和硒，它们都位于元素周期表中氧的下面。基斯说，TMDC几乎和石墨烯一样薄、透明、柔韧。“但不知何故，他们因为不有趣而出名。我认为他们应该有第二次机会。”

他是对的。很快，研究人员发现TMDC通过匹配不同的基本成分制备的具有广泛的电子和光学性质。例如，与石墨烯不同，许多TMDC是半导体，这意味着它们有潜力被制成分子级数字处理器，并且比硅更节能。

在过去的几年里，世界各地的大量实验室都加入了寻找这种二维材料的行列。“先是一个，然后是两三个，突然间，它变成了一个二维的物质王国。”接吻说。从2008年零星出版到每天出版6种出版物，二维TMDC一直在不断发展。物理学家认为可能有大约500种二维材料，不仅是石墨烯和TMDC，还有单层金属氧化物和单元素材料。"如果你想要一种具有给定属性的二维材料，你就能找到一种。"爱尔兰都柏林三一学院的物理学家乔纳森·科尔曼说。

“每一个都像乐高积木。如果你把它们放在一起，也许你可以做出一个全新的东西。”接吻说。

飞机探险

只有几个原子厚度的材料可能有非常不同的基本特性。“即使散装材料很差，如果你能把它转换成二维形式，它也会打开一扇新的门。”中国复旦大学实验凝聚态物理学家张说。

碳是一个典型的例子。2004年，物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫首次报道，他们在英国曼彻斯特大学的实验室里分离出了石墨烯。他们的技术非常简单。基本步骤是将胶带压在石墨片上，然后撕下胶带，在胶带上留下一层原子厚度的薄层。通过重复这一过程，他们最终获得了一个单原子层，因此盖姆和诺沃瑟洛夫能够开始研究石墨烯的特性。这项研究获得了2010年诺贝尔物理学奖。

物理学家很快开发了这种物质的许多应用特性，从制造柔性屏幕到能量储存。不幸的是，石墨烯不适合数字电子。在这个领域，理想的材料是半导体。

然而，盖姆和诺沃瑟洛夫在制造石墨烯方面的成功鼓舞了其他研究人员。Kis等人开始探索替代的二维材料。所以他们瞄准了TMDC。到2010年，Kis团队将使用TMDC二硫化钼制造第一个单层晶体管，并预测有一天这些器件将能够提供灵活的电子产品。2010年的许多研究表明，二硫化钼可以有效地吸收和发射光，使其有望用于太阳能电池和光电探测器。

法国图卢兹物理和化学实验室的物理学家伯恩哈德·厄巴切克(Bernhard Urbaszek)说，单层TMDC可以捕获超过10%的吸收光子，对于厚度为3个原子的材料来说，这是一个难以置信的数字。这也帮助他们解决了另一个问题:将光转化为电。当光子撞击三层晶体管时，它们可以推动电子通过能量间隙，让它们通过外部电路。每一个*电子在晶体中留下一个真空，电子就在那里——一个带正电的空穴。当施加电压时，这些空穴和电子将向不同的方向循环，产生净电流。

这个过程也可以颠倒过来，即电转化为光。如果电子和真空穴从外部回路注入TMDC，它们会重组，然后相遇时释放光子。这种光电转换能力使TMDC有望被用来通过光传输信息，作为一种微小的低功率光源，甚至作为一种激光器。

然而，二硫化钼的电子转移率仍然不够高，不足以在拥挤的电子市场中具有竞争优势。原因是这种材料的结构特点。当电子在它内部移动时，它们会从结构中较大的金属原子上弹开，从而降低迁移速度。

今年，四个不同的研究小组发现TMDC钨二硒化物可以吸收和释放单个光子。厄巴切克提到，量子密码和通信需要这样的发射器，当你“按下一个按钮，你就会得到一个光子。”现有的单光子发射器通常由大块半导*成，而二维材料将更小，更容易与其他器件集成。

元素偏移量

一些研究小组也在探索元素周期表的不同部分。来自美国普渡大学的张和叶培德的研究小组去年成功地制造了基于新型二维晶体黑磷的场效应晶体管器件。这种新的二维半导体材料是继石墨烯和二硫化钼之后的另一个重要发展，为二维晶体材料家族增加了一个新成员。

黑磷是磷的同素异形体，是由单层磷原子堆积而成的二维晶体。与石墨烯最大的不同是，黑磷有半导体能隙，比硅树脂更稳定。黑磷的半导体能隙是一个直接的能隙，它将增强与光的直接耦合，使黑磷成为未来光电器件(如光电传感器)的替代材料。

然而，像其他纯元素二维材料一样，黑磷可以与氧气和水发生非常强烈的反应。“24小时后，我们可以在材料表面看到气泡，然后整个设备将在几天内失效。”奥斯汀德克萨斯大学的二维黑磷单晶专家金俊石说。如果要持续几个小时，它需要夹在其他材料层之间。这种自然的不稳定性使得制造设备非常困难。因此，法国艾克斯马赛大学的物理学家盖伊·勒莱估计，80%关于黑磷的论文仍处于理论阶段。

此外，中国*新竹“国立清华大学”的材料教授李一贤也表示，二维黑磷单晶之所以受到一些研究者的青睐，是因为这种材料易于使用——像石墨烯一样，它可以用透明胶带轻易地剥离黑色鳞片。“这是同样的方法。然而，这并不意味着二维黑磷单晶的前景是好的。”

尽管如此，张和叶还是成功的制造出了黑磷晶体管。此外，今年的第一个硅晶体管问世了。两年前，科学家指出现有技术不能生产硅烯烃晶体管。"因此，预测未来通常是非常危险的."勒雷开玩笑道。但勒雷认为，仍然存在无法克服的困难。

当一些物理学家正在寻找新的二维材料并试图找出它们的特性时，另一些物理学家正在把它们夹在一起。“与其试图选择一种材料并说它是最好的，也许最好的方法是以某种方式将它们结合起来，这样它们的不同特性就能得到恰当的应用。”接吻说。这可能意味着不同的二维材料堆积在一起形成微小而致密的三维环。

实际预测

欧盟旗舰石墨烯项目负责人、来自瑞典歌德堡查尔莫斯理工大学的物理学家杰瑞·基纳雷特(Jari Kinaret)表示，目前围绕二维材料的讨论让人想起2005年石墨烯带给人们的兴奋。该项目还研究其他二维材料。但是基纳雷特警告说，预测这些材料的潜在性能可能需要20年。“最初的二维材料研究侧重于它的电子特性，因为它更接近物理学家的核心。”基纳雷特说，“但我认为，如果这些应用能够出现，它们可能会完全出乎意料。”

那些在实验室看起来很好的材料在现实世界中通常无法发挥它们的功能。所有二维材料面临的一个重要问题是如何廉价制造均匀无缺陷的薄层。“胶带法”可以很好地应用于TMDC和黑磷，但它浪费时间。另外，该方法在制块状黑磷时成本较高。目前，没有人能从零开始完善单层二维材料的制备，更不用说物理学家认为有前途的层状结构了。"制造我们的异质结构需要很长时间."华盛顿大学的物理学家徐晓东说，“我们如何加速或自动化准备工作？仍有许多工作要做。”

这些实际问题将阻碍2D材料实现其最初的“愿景”。"有许多这样的工作，结果只是暂时的*."基斯说，“但我认为如此多的材料和不同的特性将确保一些结果。”同时，科尔曼指出二维物质王国正在扩张。单分子层亚砷酸在研究人员的头脑中也占有一席之地。

"当人们开始扩大范围时，他们会发现性能优异的新材料."科尔曼说，“也许最令人兴奋的二维材料还没有生产出来。”(张张)

《中国科学新闻》(国际，第三版，2015年6月24日)

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