石墨烯带队二维锡烯紧随 二维材料根本停不下来.doc

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1、石墨烯带队二维锡烯紧随二维材料根本停不下来　　石墨烯又出来一个“兄弟”：二维锡烯出炉。紧随石墨烯的脚步，一大波新型二维平面材料正在来袭——然而它们最振奋人心的应用，却来自于它们堆叠成的三维器件。　　　　　　二维材料，何时飞入寻常百姓家　　物理学家称他们成功生长出了锡烯——锡原子组成的二维层状结构。这种材料生长在碲化铋衬底上，呈现出蜂窝状结构。从左到右依次为显微图像、俯视图和剖面示意图。　　日前，美国科学家宣称首次制备出锡原子构成的二维材料——锡烯，但尚未证实它是否有理论所预测的超高导电效率。该研究文章发表在8月3日的《自然·材料》。　　锡

2、烯是石墨烯最新诞生的“小弟弟”。在此之前，包括由硅原子组成的硅烯、由磷原子组成的磷烯，以及由锗原子组成的锗烯，甚至还有由不同的单层原子材料堆叠成的功能材料，这些都是石墨烯的“同门兄弟”。　　他们有一个共同的名字——二维材料。那么，二维材料为何成为各国实验室研究的热点？它们具有哪些特点？实际应用的前景有多大？推广应用的难点又在哪儿？　　　　新天地的缺憾　　仅有几个原子厚度的材料会呈现出与固态材料非常不同的性质，哪怕它们的分子组成相同。“即便块状材料是原来的，如果你将它制成二维形态，它就会展现出一片新天地。”复旦大学实验凝聚态物理学家张远波说

3、。　　碳就是一个经典的例子。2004年在英国曼彻斯特大学的实验室，物理学家安德烈·海姆（AndreGeim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（KonstanTInNovoselov）第一次从石墨中分离出了石墨烯。这种单原子层厚度的碳薄片柔韧、透明，比钢铁强度高、比铜导电性好，如此之薄以至于称它为“二维材料”可谓实至名归。　　物理学家们迅速开始利用这些性质尝试开发各种各样的应用，从可弯曲屏幕到能量存储。不幸的是，事实证明石墨烯并不适合数字电子应用。这方面应用的理想材料是半导体：半导体只有在其电子被一定能量的热、光或外加电压激发时才能够导电，其中所需的

4、能量被称为带隙，带隙的大小随材料的不同而变。调节半导体材料导电性的开和关，就产生了数字世界的0和1。但本征石墨烯却不存在带隙——它一直都导电。　　即便如此，海姆和诺沃肖洛夫成功制得石墨烯激励了其他研究者开始探寻具有带隙的其他二维材料。　　　　平面国度的探险　　“尽管石墨烯很神奇，我认为除了碳之外我们还应当关注其他各种各样的二维材料。”于是在2008年，安德拉斯·基什（AndrasKis）刚刚得到在瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）成立自己的纳米电子研究组的机会，便致力于探索一类一直隐没在石墨烯光芒下的超平材料。　　这些材料有一个长长的名字—

5、—过渡金属二硫族化合物（TMDC）——却有十分简单的二维结构。TMDC几乎和石墨烯一样薄，也有着与石墨烯相当的透明度和柔性。　　到2010年，基什的团队成功制成第一个单层二硫化钼（MoS2）晶体管，并预测这种晶体管有朝一日将会发展成小尺寸、低电压需求的柔性电子器件，这意味着它们将比传统的硅晶体管能耗更低。具有半导体性并不是它的唯一优势，研究显示MoS2既能有效吸收光，也能有效发射光，使得它在太阳能电池和光电探测器方面有着诱人的应用前景。　　短短几年之间，世界各地的实验室都加入了追寻二维材料的行列。“最初是一种，接着是两种，三种，然后忽然间

6、就成为了二维材料的天地。”基什说。关于二维TMDC的论文从2008年的一年几篇，增长到了现在每一天就发表六篇。　　物理学家认为可能约有500种二维材料，不仅是石墨烯和TMDC，还有单层金属氧化物以及像硅烯和磷烯这样的单元素材料。“如果你想要任意一种特定性质的二维材料，”都柏林圣三一学院的物理学家乔纳森·科尔曼（JonathanColeman）说，“那你肯定能找到一个。”　　　　实现疯狂的想法　　在研究者们关注TMDC的同时，理论学者们正在寻找其他可设计为二维结构的材料。一个显而易见的选择是硅：硅位于元素周期表中碳的正下方，与碳的成键方式相

7、似，具有天然带隙，并被广泛用于电子工业中。　　不幸的是，理论预测表明这种“硅烯”二维薄片活性非常高，在空气中极不稳定。它也无法像其他二维材料一样通过从晶体上撕下来制备：自然状态的硅只存在类似于金刚石结构的三维形态，没有任何一种是石墨那样的片状层叠结构。　　“人们说这太疯狂了，根本不可能实现。”法国艾克斯－马赛大学的物理学家居伊·勒莱（GuyLeLay）说。然而多年研究在硅表面生长金属的勒莱意识到，把这逆转过来就得到了制造硅烯的方法——在金属上生长原子厚度的硅。2012年，他成功制备出硅烯：在银上生长了硅烯层，且其原子结构呈现出完美的二维特

8、征。　　在这一成果的鼓舞下，勒莱和其他研究者们从此开始向元素周期表中碳族的下方进发。去年，他使用与前述类似的技术展示了在金基底上生长的二维网状锗原子——也就是锗烯。　　科学家的下一个目标正是锡