二维材料， 何时飞入寻常百姓家

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。

作者：伊丽莎白·吉布尼

2015年08月07日  来源：科技日报　　

    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。

    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（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）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（Andras Kis）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——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（Jonathan Coleman）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（Guy Le Lay）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烯。锡烯的带隙应该会比硅烯和锗烯更大，因此它的器件能够在更高的温度和电压下工作。此外，科学家预测锡烯中电荷的输运仅发生在其外缘，因此它将有超高的导电效率。

    换一种元素

    研究者们也在探索元素周期表的其他部分。张远波的研究组和美国普渡大学叶培德领导的另一个研究组去年从黑磷中剥离出了二维层状结构。像石墨烯一样，磷烯传导电子很快； 而与石墨烯不同的是，它有天然带隙，而且它比硅烯更稳定。

    磷烯迅速崛起。在2013年的美国物理学会会议上，它还仅仅是张远波课题组成员发表的一个报告的主题； 到2015年，大会就有了三个专门关于它的分会场。然而，与其他纯元素二维材料相比，磷烯与氧气和水的反应活性都很强。如果想让它的保存时间超过数小时，就需要将它夹在其他材料层之间。由于这种与生俱来的不稳定性，用“烯”类材料制造器件的难度很大；勒莱估计，约80%的相关文章都还停留在理论阶段。

    尽管如此，张远波和叶培德还是成功制成了磷烯晶体管。今年，首个硅烯晶体管也问世了，尽管它只保存了几分钟。不过，勒莱依然乐观，他认为这些问题并不是不可克服的。他指出，两年前海姆和其他物理学家们还声称现有技术不可能生产出硅烯晶体管。“所以预测未来通常是很危险的。”勒莱开玩笑地说道。

    下一个维度

    “每一种材料就像一块乐高积木，”基什说，“如果你把它们放在一起，也许就能堆积出全新的东西。”

    二维材料最激动人心的前沿之一，却是将它们堆叠成依然很薄但的确是三维的结构。利用各种各样的二维超平材料迥异的性质，可以制造一整个完全由原子级厚度组件构成的数字电路，这将创造出之前闻所未闻的器件。

    “与其设法找一个材料然后说它就是最好的，也许不如用某种方式将它们结合在一起，这样就能综合利用它们的不同优势了。”基什说。这就意味着我们可以将不同二维材料构成的组件堆叠起来，制造小型、密集的三维电路。

    今年2月份，诺沃肖洛夫和他的团队逆转了太阳能电池的概念，用石墨烯做电极，以二硫化钼（MoS2）和其他TMDC为材料设计了一种发光二极管。通过选择不同的TMDC，他们还可以调控释放光子的波长。

    就算是石墨烯，也一样可以从其他二维材料上得到提升，意大利国家纳米科学公司（NEST）的物理学家马尔科· 波利尼（Marco Polini）如是说。他的团队一直致力于研究把石墨烯夹在二维层状绝缘体氮化硼（BN） 层间的器件。激光聚焦在该器件上时，石墨烯层就能压缩光束并为光束提供通道，效果远远胜于石墨烯夹在块状材料间的器件。波利尼说，原则上，这意味着可以用光子而非电子在芯片间携带信息，芯片通信可能因此而变得更快速有效。

    走向应用还很漫长

    瑞典查尔姆斯理工大学的物理学家亚里· 基纳雷特（Jari Kinaret）说，现在二维材料领域的盛景让人回忆起了2005年对石墨烯的狂热。他是欧盟石墨烯旗舰计划的负责人，这一项目也研究其他二维材料。

    但基纳雷特警告说，要真正去评估这些材料的应用潜力可能还需要20年。“关于二维材料的初步研究大多集中于它们的电学性质，因为这些更接近物理学家的‘初心’，”基纳雷特说，“但我认为所谓的应用，即便有一天实现了，也更可能在一个完全没有预见到的领域。”

    在实验室表现良好的材料并不总是能成功进入真正的应用领域。二维材料面对的一个主要问题，是如何廉价地生产均一、无缺陷的二维薄层。胶带法适用于制备层状TMDC和磷烯，但太耗时以至于无法用于大规模制备。黑磷块状材料的制备也很昂贵，因为需要将自然存在的白磷放在超高压力中。目前还没有人较为完美地从零开始生长单层二维材料，更不必说物理学家认为有前途的分层结构了。

    “制备异质结构会花费很长时间，”华盛顿大学的物理学家徐晓东说，“怎样才能使制备过程加速或者自动化？这里面还有很多的工作要做。”

    这些实际问题可能使得二维材料无法实现它们预期的前景。“像这样的热潮曾经也有过许多，结果不过是昙花一现。”基什说，“但我认为鉴于现有二维材料的数量很多且性质丰富，应该能够保证做出一些东西。”同时，这个领域还在扩张。科尔曼说，作为比磷烯分子量更大的同族兄弟砷烯（Arsenene），已经进入研究者们的设想中。

    “随着人们开始向新方向发展，他们将会发现更多具有优异性质的新材料，”科尔曼说，“也许最激动人心的二维材料尚未制备出来。”

    稿件来源：《环球科学》（《科学美国人》中文版）2015年8月号，有删节

    撰文：伊丽莎白·吉布尼（Elizabeth Gibney） 翻译：张娜