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二維材料是一大類材料的統(tǒng)稱,指的是在一個維度上材料尺寸減小到極限的原子層厚度,而在其他兩個維度,材料尺寸相對較大。最典型也是最早實(shí)驗(yàn)證明的二維材料是石墨烯。2004年,K.S.Novoselov等人在Science雜志發(fā)表文章,報道了通過機(jī)械剝離的方法從高取向的裂解石墨中獲得了石墨烯,且證明了其獨(dú)特優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)。自此之后,以石墨烯為代表的二維材料獲得了快速的發(fā)展,新的二維材料如雨后春筍般涌現(xiàn)。得益于其原子層厚度方向上的量子局限效應(yīng),這些二維材料展示出與其對應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)截然不同的性質(zhì),因此受到了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。
除石墨烯之外,其他的二維材料還包括:單元素的硅烯、鍺烯、錫烯、硼烯和黑磷等,過渡金屬硫族化合物如MoS2、WSe2、ReS2、PtSe2、NbSe2等,主族金屬硫族化合物如GaS、InSe、SnS、SnS2等,以及其他二維材料如h-BN、CrI3、NiPS3、Bi2O2Se等。這些二維材料具有完全不同的能帶結(jié)構(gòu)以及電學(xué)性質(zhì),覆蓋了從超導(dǎo)體、金屬、半金屬、半導(dǎo)體到絕緣體等材料類型。同時,他們也具有優(yōu)異的光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)等性質(zhì)。通過堆垛種類不同的二維材料,可以構(gòu)筑功能性更強(qiáng)的材料體系。因此,這些材料有望在高性能電子器件、光電子器件、自旋電子器件以及能源轉(zhuǎn)換和存儲等領(lǐng)域得到應(yīng)用。現(xiàn)階段對于二維材料的研究集中在制備、表征、修飾改性、理論計算以及應(yīng)用探索等幾個方面,且均已取得了很大的進(jìn)展。例如,在制備方面,機(jī)械剝離法被廣泛用來制備得到二維材料樣品,供實(shí)驗(yàn)室物性研究以及器件制作;利用化學(xué)氣相沉積的方法可以制備大面積、高質(zhì)量、層數(shù)可控的石墨烯以及部分過渡金屬硫族化合物材料,為商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。對于二維材料的表征,研究人員已經(jīng)建立起互補(bǔ)的光譜學(xué)以及電子傳輸學(xué)等一系列表征手段。修飾改性也是二維材料發(fā)展的一個很重要的方面,通過摻雜、化學(xué)修飾、靜電調(diào)控、合金等手段,可以最大程度地規(guī)避材料本身的不足,發(fā)揮其優(yōu)勢。理論計算在二維材料的發(fā)展中起到了至關(guān)重要的作用,通過理論計算可以發(fā)掘更多的新型二維材料,預(yù)測其性能,解釋觀察到的現(xiàn)象,指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計。在應(yīng)用方面,基于石墨烯的高頻晶體管的構(gòu)筑,基于MoS2的短溝道的場效應(yīng)晶體管和隧穿晶體管,以及其他高效發(fā)光以及光探測器件的實(shí)現(xiàn),都展現(xiàn)出了二維材料巨大的應(yīng)用潛力。同時,二維材料的研究還面臨著諸多的挑戰(zhàn)。
首先,材料的制備水平遠(yuǎn)未達(dá)到光電子器件應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。雖然通過機(jī)械剝離的方法可以得到大部分的二維層狀材料,但是這種方法效率較低,樣品橫向尺寸較小,厚度不容易控制。通過其他的方法例如液相剝離或者化學(xué)氣相沉積可以制備石墨烯和部分過渡金屬硫族化合物,但樣品的層數(shù)、邊緣形貌、缺陷密度、相、參雜濃度等參數(shù)都較難以控制,且這些方法在新的二維材料制備方面有待進(jìn)一步優(yōu)化。因此,要實(shí)現(xiàn)二維材料的廣泛應(yīng)用,可控制備是前提,這涉及二維材料制備的專業(yè)裝備和在專業(yè)裝備基礎(chǔ)上發(fā)展的制備工藝技術(shù);裝備是關(guān)鍵,沒有一流的裝備,不可能有一流的產(chǎn)品。然而,在裝備方面至今沒有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,亟需政府和企業(yè)有長遠(yuǎn)眼光與規(guī)劃,這可以從日本、韓國等國在有機(jī)發(fā)光二極管(OLEDs)的裝備研制方面得到啟示。
其次,二維材料的精確組裝是實(shí)現(xiàn)其用途的關(guān)鍵,這也涉及制備工藝技術(shù)。通過堆垛的方法可以構(gòu)筑二維材料范德華異質(zhì)結(jié),以實(shí)現(xiàn)單體并不具備的功能。但是通用的轉(zhuǎn)移方法并不能控制層與層之間的相互作用以及晶格取向,并且會不可避免地引入雜質(zhì),為研究帶來不確定性。
因此開發(fā)新的組裝方法也是二維材料獲得應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)。最后,在二維材料的應(yīng)用中,雖然已經(jīng)有很多新穎的器件結(jié)構(gòu)與優(yōu)異的性能報道,但如何與當(dāng)代硅基微納光電子集成,是一個有待解決的現(xiàn)實(shí)問題。開發(fā)新的器件結(jié)構(gòu),優(yōu)化已有器件的性能,充分發(fā)揮二維材料的獨(dú)特優(yōu)勢,也是這一領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)之一。鑒于此,我們課題組在二維材料領(lǐng)域開展了一系列創(chuàng)新性的工作。在石墨烯制備的裝備研發(fā),在石墨烯、h-BN、MoS2等材料的制備表征,以及二維材料在場效應(yīng)晶體管、太陽能電池、催化產(chǎn)氫、光學(xué)和生物傳感器等應(yīng)用領(lǐng)域取得了一定的原創(chuàng)性成果,并受邀撰寫了相關(guān)內(nèi)容的綜述和書的章節(jié)。其中,發(fā)表在ChemicalReviews(Chem.Rev.2013,113,3766)的關(guān)于類石墨烯二維材料的綜述是該領(lǐng)域內(nèi)第一個系統(tǒng)性的綜述,受到了因石墨烯而獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎的A.K.Geim等人的推介,并入選了2013年度中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文。二維材料雖然不可能取代硅材料,但可以與現(xiàn)有的技術(shù)功能互補(bǔ)。微電子器件將不斷沿著速度更快、體積更小、價格更便宜和功能更完善的方向發(fā)展;在后摩爾時代,芯片匯集計算、存儲、通信和信息處理等多種功能,速度更快、功耗更低,推動信息技術(shù)發(fā)生革命性的變化。具有獨(dú)特光、電、磁特性以及新型量子物理現(xiàn)象的石墨烯、過渡金屬硫簇化合物等新型二維材料,在信息、微納光電子等方面具有潛在的應(yīng)用前景,融入硅基半導(dǎo)體技術(shù),能夠推動芯片技術(shù)發(fā)展。隨著二維材料家族的不斷擴(kuò)大,越來越多新的二維材料被發(fā)現(xiàn)并且展示出了獨(dú)特的性能,為更廣闊的研究和應(yīng)用提供了基礎(chǔ),有望引領(lǐng)基于材料創(chuàng)新的產(chǎn)業(yè)變革。
作者:梁濤 徐明生單位:浙江大學(xué)