石墨烯帶隊二維錫烯緊隨 二維材料根本停不下來

　　石墨烯又出來一個“兄弟”：二維錫烯出爐。緊隨石墨烯的腳步，一大波新型二維平面材料正在來襲——然而它們最振奮人心的應(yīng)用，卻來自于它們堆疊成的三維器件。

　　二維材料， 何時飛入尋常百姓家

　　物理學(xué)家稱他們成功生長出了錫烯——錫原子組成的二維層狀結(jié)構(gòu)。這種材料生長在碲化鉍襯底上，呈現(xiàn)出蜂窩狀結(jié)構(gòu)。從左到右依次為顯微圖像、俯視圖和剖面示意圖。

　　日前，美國科學(xué)家宣稱首次制備出錫原子構(gòu)成的二維材料——錫烯，但尚未證實它是否有理論所預(yù)測的超高導(dǎo)電效率。該研究文章發(fā)表在8月3日的《自然·材料》。

　　錫烯是石墨烯最新誕生的“小弟弟”。在此之前，包括由硅原子組成的硅烯、由磷原子組成的磷烯，以及由鍺原子組成的鍺烯，甚至還有由不同的單層原子材料堆疊成的功能材料 ，這些都是石墨烯的“同門兄弟”。

　　他們有一個共同的名字——二維材料。那么，二維材料為何成為各國實驗室研究的熱點？它們具有哪些特點？實際應(yīng)用的前景有多大？推廣應(yīng)用的難點又在哪兒？

　　新天地的缺憾

　　僅有幾個原子厚度的材料會呈現(xiàn)出與固態(tài)材料非常不同的性質(zhì)，哪怕它們的分子組成相同?！凹幢銐K狀材料是原來的，如果你將它制成二維形態(tài)，它就會展現(xiàn)出一片新天地。”復(fù)旦大學(xué)實驗?zāi)蹜B(tài)物理學(xué)家張遠波說。

　　碳就是一個經(jīng)典的例子。2004年在英國曼徹斯特大學(xué)的實驗室，物理學(xué)家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）第一次從石墨中分離出了石墨烯。這種單原子層厚度的碳薄片柔韌、透明，比鋼鐵強度高、比銅導(dǎo)電性好，如此之薄以至于稱它為“二維材料”可謂實至名歸。

　　物理學(xué)家們迅速開始利用這些性質(zhì)嘗試開發(fā)各種各樣的應(yīng)用，從可彎曲屏幕到能量存儲。不幸的是，事實證明石墨烯并不適合數(shù)字電子應(yīng)用。這方面應(yīng)用的理想材料是半導(dǎo)體：半導(dǎo)體只有在其電子被一定能量的熱、光或外加電壓激發(fā)時才能夠?qū)щ?，其中所需的能量被稱為帶隙，帶隙的大小隨材料的不同而變。調(diào)節(jié)半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性的開和關(guān)，就產(chǎn)生了數(shù)字世界的0和1。但本征石墨烯卻不存在帶隙——它一直都導(dǎo)電。

　　即便如此，海姆和諾沃肖洛夫成功制得石墨烯激勵了其他研究者開始探尋具有帶隙的其他二維材料。

　　平面國度的探險

　　“盡管石墨烯很神奇，我認(rèn)為除了碳之外我們還應(yīng)當(dāng)關(guān)注其他各種各樣的二維材料?！庇谑窃?008年，安德拉斯·基什（Andras Kis）剛剛得到在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）成立自己的納米電子研究組的機會，便致力于探索一類一直隱沒在石墨烯光芒下的超平材料。

　　這些材料有一個長長的名字——過渡金屬二硫族化合物（TMDC）——卻有十分簡單的二維結(jié)構(gòu)。TMDC幾乎和石墨烯一樣薄，也有著與石墨烯相當(dāng)?shù)耐该鞫群腿嵝浴?/p>

　　到2010年，基什的團隊成功制成第一個單層二硫化鉬（MoS2）晶體管，并預(yù)測這種晶體管有朝一日將會發(fā)展成小尺寸、低電壓需求的柔性電子器件，這意味著它們將比傳統(tǒng)的硅晶體管能耗更低。具有半導(dǎo)體性并不是它的唯一優(yōu)勢，研究顯示MoS2既能有效吸收光，也能有效發(fā)射光，使得它在太陽能電池和光電探測器方面有著誘人的應(yīng)用前景。

　　短短幾年之間，世界各地的實驗室都加入了追尋二維材料的行列?！白畛跏且环N，接著是兩種，三種，然后忽然間就成為了二維材料的天地?！被舱f。關(guān)于二維TMDC的論文從2008年的一年幾篇，增長到了現(xiàn)在每一天就發(fā)表六篇。

　　物理學(xué)家認(rèn)為可能約有500種二維材料，不僅是石墨烯和TMDC，還有單層金屬氧化物以及像硅烯和磷烯這樣的單元素材料。“如果你想要任意一種特定性質(zhì)的二維材料，”都柏林圣三一學(xué)院的物理學(xué)家喬納森·科爾曼（Jonathan Coleman）說，“那你肯定能找到一個。”

　　實現(xiàn)瘋狂的想法

　　在研究者們關(guān)注TMDC的同時，理論學(xué)者們正在尋找其他可設(shè)計為二維結(jié)構(gòu)的材料。一個顯而易見的選擇是硅：硅位于元素周期表中碳的正下方，與碳的成鍵方式相似，具有天然帶隙，并被廣泛用于電子工業(yè)中。

　　不幸的是，理論預(yù)測表明這種“硅烯”二維薄片活性非常高，在空氣中極不穩(wěn)定。它也無法像其他二維材料一樣通過從晶體上撕下來制備：自然狀態(tài)的硅只存在類似于金剛石結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)，沒有任何一種是石墨那樣的片狀層疊結(jié)構(gòu)。

　　“人們說這太瘋狂了，根本不可能實現(xiàn)?！狈▏怂梗R賽大學(xué)的物理學(xué)家居伊·勒萊（Guy Le Lay）說。然而多年研究在硅表面生長金屬的勒萊意識到，把這逆轉(zhuǎn)過來就得到了制造硅烯的方法——在金屬上生長原子厚度的硅。2012年，他成功制備出硅烯：在銀上生長了硅烯層，且其原子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出完美的二維特征。

　　在這一成果的鼓舞下，勒萊和其他研究者們從此開始向元素周期表中碳族的下方進發(fā)。去年，他使用與前述類似的技術(shù)展示了在金基底上生長的二維網(wǎng)狀鍺原子——也就是鍺烯。

　　科學(xué)家的下一個目標(biāo)正是錫烯。錫烯的帶隙應(yīng)該會比硅烯和鍺烯更大，因此它的器件能夠在更高的溫度和電壓下工作。此外，科學(xué)家預(yù)測錫烯中電荷的輸運僅發(fā)生在其外緣，因此它將有超高的導(dǎo)電效率。

　　換一種元素

　　研究者們也在探索元素周期表的其他部分。張遠波的研究組和美國普渡大學(xué)葉培德領(lǐng)導(dǎo)的另一個研究組去年從黑磷中剝離出了二維層狀結(jié)構(gòu)。像石墨烯一樣，磷烯傳導(dǎo)電子很快； 而與石墨烯不同的是，它有天然帶隙，而且它比硅烯更穩(wěn)定。

　　磷烯迅速崛起。在2013年的美國物理學(xué)會會議上，它還僅僅是張遠波課題組成員發(fā)表的一個報告的主題； 到2015年，大會就有了三個專門關(guān)于它的分會場。然而，與其他純元素二維材料相比，磷烯與氧氣和水的反應(yīng)活性都很強。如果想讓它的保存時間超過數(shù)小時，就需要將它夾在其他材料層之間。由于這種與生俱來的不穩(wěn)定性，用“烯”類材料制造器件的難度很大；勒萊估計，約80%的相關(guān)文章都還停留在理論階段。

　　盡管如此，張遠波和葉培德還是成功制成了磷烯晶體管。今年，首個硅烯晶體管也問世了，盡管它只保存了幾分鐘。不過，勒萊依然樂觀，他認(rèn)為這些問題并不是不可克服的。他指出，兩年前海姆和其他物理學(xué)家們還聲稱現(xiàn)有技術(shù)不可能生產(chǎn)出硅烯晶體管?！八灶A(yù)測未來通常是很危險的?！崩杖R開玩笑地說道。

　　下一個維度

　　“每一種材料就像一塊樂高積木，”基什說，“如果你把它們放在一起，也許就能堆積出全新的東西?！?/p>

　　二維材料最激動人心的前沿之一，卻是將它們堆疊成依然很薄但的確是三維的結(jié)構(gòu)。利用各種各樣的二維超平材料迥異的性質(zhì)，可以制造一整個完全由原子級厚度組件構(gòu)成的數(shù)字電路，這將創(chuàng)造出之前聞所未聞的器件。

　　“與其設(shè)法找一個材料然后說它就是最好的，也許不如用某種方式將它們結(jié)合在一起，這樣就能綜合利用它們的不同優(yōu)勢了?！被舱f。這就意味著我們可以將不同二維材料構(gòu)成的組件堆疊起來，制造小型、密集的三維電路。

　　今年2月份，諾沃肖洛夫和他的團隊逆轉(zhuǎn)了太陽能電池的概念，用石墨烯做電極，以二硫化鉬（MoS2）和其他TMDC為材料設(shè)計了一種發(fā)光二極管。通過選擇不同的TMDC，他們還可以調(diào)控釋放光子的波長。

　　就算是石墨烯，也一樣可以從其他二維材料上得到提升，意大利國家納米科學(xué)公司（NEST）的物理學(xué)家馬爾科· 波利尼（Marco Polini）如是說。他的團隊一直致力于研究把石墨烯夾在二維層狀絕緣體氮化硼（BN） 層間的器件。激光聚焦在該器件上時，石墨烯層就能壓縮光束并為光束提供通道，效果遠遠勝于石墨烯夾在塊狀材料間的器件。波利尼說，原則上，這意味著可以用光子而非電子在芯片間攜帶信息，芯片通信可能因此而變得更快速有效。

　　走向應(yīng)用還很漫長

　　瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的物理學(xué)家亞里· 基納雷特（Jari Kinaret）說，現(xiàn)在二維材料領(lǐng)域的盛景讓人回憶起了2005年對石墨烯的狂熱。他是歐盟石墨烯旗艦計劃的負責(zé)人，這一項目也研究其他二維材料。

　　但基納雷特警告說，要真正去評估這些材料的應(yīng)用潛力可能還需要20年。“關(guān)于二維材料的初步研究大多集中于它們的電學(xué)性質(zhì)，因為這些更接近物理學(xué)家的‘初心’，”基納雷特說，“但我認(rèn)為所謂的應(yīng)用，即便有一天實現(xiàn)了，也更可能在一個完全沒有預(yù)見到的領(lǐng)域?！?/p>

　　在實驗室表現(xiàn)良好的材料并不總是能成功進入真正的應(yīng)用領(lǐng)域。二維材料面對的一個主要問題，是如何廉價地生產(chǎn)均一、無缺陷的二維薄層。膠帶法適用于制備層狀TMDC和磷烯，但太耗時以至于無法用于大規(guī)模制備。黑磷塊狀材料的制備也很昂貴，因為需要將自然存在的白磷放在超高壓力中。目前還沒有人較為完美地從零開始生長單層二維材料，更不必說物理學(xué)家認(rèn)為有前途的分層結(jié)構(gòu)了。

　　“制備異質(zhì)結(jié)構(gòu)會花費很長時間，”華盛頓大學(xué)的物理學(xué)家***說，“怎樣才能使制備過程加速或者自動化？這里面還有很多的工作要做?！?/p>

　　這些實際問題可能使得二維材料無法實現(xiàn)它們預(yù)期的前景?！跋襁@樣的熱潮曾經(jīng)也有過許多，結(jié)果不過是曇花一現(xiàn)?！被舱f，“但我認(rèn)為鑒于現(xiàn)有二維材料的數(shù)量很多且性質(zhì)豐富，應(yīng)該能夠保證做出一些東西?！蓖瑫r，這個領(lǐng)域還在擴張?？茽柭f，作為比磷烯分子量更大的同族兄弟砷烯（Arsenene），已經(jīng)進入研究者們的設(shè)想中。

　　“隨著人們開始向新方向發(fā)展，他們將會發(fā)現(xiàn)更多具有優(yōu)異性質(zhì)的新材料，”科爾曼說，“也許最激動人心的二維材料尚未制備出來?！?/p>