什么是二维材料
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二维材料的研究现状及展望
、许···
浙江大学信息科学与电子工程学院硅材料国家重点实验室，杭州310027。
在线:2018-12-15
关于作者
浙江大学博士后，助理研究员，从事二维材料制备与器件研究许，浙江大学信息与电子工程学院教授，主要从事二维材料与器件研究。
二维材料是一大类材料的统称，指材料尺寸在一个维度上缩减到极限的原子层厚度，而在另外两个维度上材料尺寸相对较大。实验证明的最典型、最早的二维材料是石墨烯。2004年，K. S. Novoselov等人在《科学》杂志上发表文章，报道了通过机械剥离高取向热解石墨得到石墨烯，并证明了其独特而优异的电学性质。此后，以石墨烯为代表的二维材料发展迅速，新的二维材料如雨后春笋般出现。得益于原子层厚度方向的量子限域效应，这些二维材料表现出与其对应的三维结构完全不同的性质，因此受到了科学界和工业界的广泛关注。
除了石墨烯，其他二维材料还包括:单元素硅烯、锗烯、锡烯、硼烯、黑磷，过渡金属硫族化物如MoS2、WSe2、ReS2、PtSe2、NbSe2，主族金属硫族化物如GaS、InSe、SNS、SnS，其他二维材料如h-BN、CrI3、NiPS3。这些二维材料具有完全不同的能带结构和电学性质，涵盖了从超导体、金属、半金属、半导体到绝缘体的材料。同时，它们还具有优异的光学、力学、热学和磁学性能。通过堆叠不同种类的二维材料，可以构建更多功能的材料系统。因此，这些材料有望应用于高性能电子器件、光电子器件、自旋电子器件、能量转换和存储等领域。
目前对二维材料的研究主要集中在制备、表征、修饰、理论计算和应用探索等方面，并取得了很大进展。例如，在制备方面，广泛采用机械剥离法制备二维材料样品，用于实验室物性研究和器件制作；化学气相沉积法可以制备大面积、高质量、可控层数的石墨烯和一些过渡金属硫族化合物，为商业化应用奠定了基础。对于二维材料的表征，研究人员建立了互补光谱、电子输运等一系列表征方法。改性也是二维材料发展的一个非常重要的方面。通过掺杂、化学改性、静电调控、合金化等手段，可以最大限度地避免材料的缺点，发挥其优点。理论计算在二维材料的发展中起着至关重要的作用。通过理论计算，可以发现更多新的二维材料，预测其性质，解释观察到的现象，指导实验设计。在应用上，基于石墨烯的高频晶体管、基于MoS2的短沟道场效应晶体管和隧穿晶体管的构建，以及其他高效发光和光探测器件的实现，都显示了二维材料巨大的应用潜力。