石墨烯帶隊(duì)二維錫烯緊隨 二維材料根本停不下來

　　石墨烯又出來一個(gè)“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(shí)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(shí)它是否有理論所預(yù)測(cè)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(gè)共同的名字——二維材料。那么，二維材料為何成為各國實(shí)驗(yàn)室研究的熱點(diǎn)？它們具有哪些特點(diǎn)？實(shí)際應(yīng)用的前景有多大？推廣應(yīng)用的難點(diǎn)又在哪兒？

　　新天地的缺憾

　　僅有幾個(gè)原子厚度的材料會(huì)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(huì)展現(xiàn)出一片新天地?！睆?fù)旦大學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)蹜B(tài)物理學(xué)家張遠(yuǎn)波說。

　　碳就是一個(gè)經(jīng)典的例子。2004年在英國曼徹斯特大學(xué)的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(shí)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(chǔ)。不幸的是，事實(shí)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(shí)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(lì)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(xiǎn)

　　“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(jī)會(huì)，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(gè)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(tuán)隊(duì)成功制成第一個(gè)單層二硫化鉬（MoS2）晶體管，并預(yù)測(cè)這種晶體管有朝一日將會(huì)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(shì)，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(cè)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(shí)驗(yàn)室都加入了追尋二維材料的行列。“最初是一種，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?！叭绻阆胍我庖环N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(gè)?！?/p>

　　實(shí)現(xiàn)瘋狂的想法

　　在研究者們關(guān)注TMDC的同時(shí)，理論學(xué)者們正在尋找其他可設(shè)計(jì)為二維結(jié)構(gòu)的材料。一個(gè)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(cè)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(shí)現(xiàn)。”法國艾克斯－馬賽大學(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(shí)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(jìn)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(gè)目標(biāo)正是錫烯。錫烯的帶隙應(yīng)該會(huì)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(cè)錫烯中電荷的輸運(yùn)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(yuǎn)波的研究組和美國普渡大學(xué)葉培德領(lǐng)導(dǎo)的另一個(gè)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(huì)會(huì)議上，它還僅僅是張遠(yuǎn)波課題組成員發(fā)表的一個(gè)報(bào)告的主題； 到2015年，大會(huì)就有了三個(gè)專門關(guān)于它的分會(huì)場(chǎng)。然而，與其他純?cè)囟S材料相比，磷烯與氧氣和水的反應(yīng)活性都很強(qiáng)。如果想讓它的保存時(shí)間超過數(shù)小時(shí)，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(jì)，約80%的相關(guān)文章都還停留在理論階段。

　　盡管如此，張遠(yuǎn)波和葉培德還是成功制成了磷烯晶體管。今年，首個(gè)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。“所以預(yù)測(cè)未來通常是很危險(xiǎn)的?！崩杖R開玩笑地說道。

　　下一個(gè)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。”

　　二維材料最激動(dòng)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(gè)完全由原子級(jí)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(gè)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(shì)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(tuán)隊(duì)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(jì)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(tuán)隊(duì)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(shí)，石墨烯層就能壓縮光束并為光束提供通道，效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)石墨烯的狂熱。他是歐盟石墨烯旗艦計(jì)劃的負(fù)責(zé)人，這一項(xiàng)目也研究其他二維材料。

　　但基納雷特警告說，要真正去評(píng)估這些材料的應(yīng)用潛力可能還需要20年?！瓣P(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?yàn)檫@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(shí)現(xiàn)了，也更可能在一個(gè)完全沒有預(yù)見到的領(lǐng)域?！?/p>

　　在實(shí)驗(yàn)室表現(xiàn)良好的材料并不總是能成功進(jìn)入真正的應(yīng)用領(lǐng)域。二維材料面對(duì)的一個(gè)主要問題，是如何廉價(jià)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(shí)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?yàn)樾枰獙⒆匀淮嬖诘陌琢追旁诔?a target="_blank">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(huì)花費(fèi)很長時(shí)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(dòng)化？這里面還有很多的工作要做。”

　　這些實(shí)際問題可能使得二維材料無法實(shí)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)。”基什說，“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(shí)，這個(gè)領(lǐng)域還在擴(kuò)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(jìn)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(huì)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(dòng)人心的二維材料尚未制備出來?！?/p>