“极端制造”：二维材料的制备与应用

“极端制造”：二维材料的制备与应用

导言

如今，二维材料已经成为当今材料科学研究的热点之一，激发了生物工程、光子学、电子学等许多领域的研究兴趣。可靠地制备这些二维材料已经成为当今学术界和工业界的共同追求。

什么是二维材料

二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1-100 nm）上自由运动的平面材料。如纳米薄膜、超晶格、量子阱。二维材料是伴随着2004年曼彻斯特大学Geim 小组成功分离出单原子层的石墨材料--石墨烯(graphene) 而提出的。二维材料具有很多独特的性质，如原子级厚度的尺寸特点，表面无悬挂键的结构优势加上极大比表面积导致的对电、光等调控手段的敏感性等。这些独特的性质让二维材料被科学家们认为是“后摩尔定律”时代半导体工业新的突破口。

图1：二维材料大综述

制备技术的原理

插层剥离过程的典型程序包括客体插层和随后的主体剥离。通过插层和后插层效应来克服层状材料的层间粘附，便于后续剥离分层，这就是插层剥离制备原子薄层材料的本征机理。这种后插层效应可能是层间距离的增加、气泡的释放或能量有利的溶剂化过程。分子的插入是一种无电荷转移的过程，通常会导致层间距的显著增加。

这种后插层效应削弱了导致层间粘附的范德华力，进而促进了原子层的剥离。离子的嵌入总是伴随着嵌入的离子和层状晶体之间的电荷转移，从而导致带电层的形成。这种过程显著降低了层间范德华力，但在相反电荷的离子和层之间产生了额外的静电引力。质子溶剂通常会导致气体释放，这将会产生很大的力，将各个层推开，在剥离机制中起着重要作用。非质子溶剂可以协调带电层和离子，从而促进能量有利的溶剂化过程，这也有利于原子层的分散。

图2：基于锂离子电池的电化学插层剥离技术

二维材料的应用

从最初的石墨烯到现在，二维材料已经发展成为一个包含大量不同性质、不同组分的材料体系。例如，超导体、金属、半金属、半导体、绝缘体、拓扑绝缘体等都已经在二维材料中被发现。

从基础科研的角度，大量基于二维材料的基础凝聚态物理研究取得重大突破。一些二维极限下的物理现象（如量子霍尔效应、量子反常霍尔效应等）得以被系统性观测研究，二维极限下声子、电子、自旋、能谷等之间的相互作用也被深刻认知。

从现实用途的角度，二维材料可以带动新一代高密度低功耗存储、高效光伏、高灵敏度光电探测、超短沟道器件及自旋电子学器件等领域发展。

目前，欧美各国及电子行业各大巨头公司（如英特尔公司、IBM 公司、台积电公司、三星公司等）都已在二维材料方向投入巨大研究力量，以期抢占研发高地，进行专利布局。中国研究人员在二维材料领域从理论研究、实验研究、工程技术研究等不同角度迅速全面推进，在部分研究方向取得较大进展，少数领域处于世界领先水平。

图3：主族二维材料的新型应用

参考文献

[1]张广宇,龙根,林生晃,冼乐德,姜岩,吴昊,王硕培李娜.(2023).二维材料：从基础到应用

[2]Synthesis of atomically thin sheets by the intercalation-based exfoliation of layered materialsRuijie Yang, Yingying Fan, Liang Mei, Hyeon Suk Shin, Damien Voiry, Qingye Lu, Ju Li & Zhiyuan Zeng Nat. Synth., 2023, 2, 101–118, DOI: 10.1038/s44160-022-00232-z

[3]部分资料和图片来自百度百科