石墨烯具有一系列神奇的物理性質(zhì)——這種由碳元素組成的單原子層的二維結(jié)構(gòu)，柔性透明，看似纖弱，實(shí)則比鋼更強(qiáng)，比銅更導(dǎo)電。這種神奇的材料甫一出現(xiàn)，就引起了全世界很多科學(xué)家的強(qiáng)烈興趣。2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的Andre Geim和Konstantin Novoselov發(fā)現(xiàn)并第一次分離出石墨烯，僅僅六年后的2010年，他們就因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
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實(shí)際上他們的技術(shù)實(shí)在是太簡(jiǎn)單了，其基本步驟是把膠帶按壓粘在石墨薄片上，然后把它剝開，這樣就得到了幾個(gè)原子層厚的石墨材料。通過重復(fù)這個(gè)步驟，就能得到單層石墨烯。而許多理論家曾表示單層石墨烯可能不能夠孤立存在。
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不要小看這薄薄的一層原子材料，這種結(jié)構(gòu)使其基本性質(zhì)與一般固體材料大大不同。正如復(fù)旦大學(xué)的實(shí)驗(yàn)?zāi)蹜B(tài)物理學(xué)家張遠(yuǎn)波所說，“即使是舊的材料，如果你能得到它的二維形式，就開辟了新的機(jī)會(huì)。”
隨后掀起的研發(fā)熱潮中，石墨烯被用于生產(chǎn)柔性顯示屏和儲(chǔ)能材料。但是，對(duì)于數(shù)碼電子產(chǎn)品領(lǐng)域，石墨烯并不是一種合適的材料。該領(lǐng)域中的理想材料是半導(dǎo)體，也就是說其本身不導(dǎo)電，除非它的電子被外界能量激發(fā)，比如熱、光或外部電壓。不同材料的電子激發(fā)所需的能量也各自不同，這個(gè)能量范圍被稱為帶隙。通過控制材料的導(dǎo)電性的“開”和“關(guān)”就可以創(chuàng)建數(shù)字世界的1和0。但純石墨烯沒有帶隙——它一直都是導(dǎo)電的。
盡管如此，石墨烯的成功制備刺激了許多其他科學(xué)家研發(fā)具有帶隙的二維石墨烯替代材料。比如瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院洛桑分校（EPFL）的Andras Kis研究小組就是這樣。他們研究的材料有一個(gè)笨拙的名字：過渡金屬二硫?qū)倩?/span>（TMDCs）。這種材料的結(jié)構(gòu)是很簡(jiǎn)單的二維形式。過渡金屬原子，如鉬或鎢的單原子層被另外兩個(gè)硫?qū)伲ㄖ芷诒碇醒跻韵碌脑?，如硫和硒）單原子層夾在中間。這種TMDCs幾乎和石墨烯一樣薄和透明，也很柔軟。更重要的是，由于很多種TMDCs具有半導(dǎo)體的性質(zhì)，這意味著其可能被用來制作分子尺度的數(shù)碼處理器，而且可能比所有基于硅元素的同類產(chǎn)品的能量效率都高得多。而且這種材料可以高效率地吸收和發(fā)射光子。
據(jù)法國(guó)圖盧茲的納米物體理化實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家Bernhard Urbaszek說，TMDCs單層可以捕捉入射光子的10％以上，對(duì)于這種只有三個(gè)原子厚的材料來說，這是一個(gè)令人難以置信的數(shù)字。這也有助于將這種材料用于將光轉(zhuǎn)換成電。當(dāng)傳入的光子撞擊三層晶體時(shí)，它能激活電子的帶隙躍遷，進(jìn)入外部電路。而每個(gè)釋放的電子會(huì)在晶體中留下一個(gè)帶正電的“孔”。當(dāng)施加電壓時(shí)，這些空穴和電子會(huì)向相反方向流動(dòng)，以產(chǎn)生電流。反過來，這個(gè)過程也可以將電轉(zhuǎn)化為光——如果電子和空穴從外電路注入TMDC，電子和空穴相遇后，就會(huì)重組而將能量以光子形式發(fā)射出來。
這種光電轉(zhuǎn)換功能，使TMDCs很有希望成為光傳輸信息的候選材料，以及用于微小低功率光源，甚至是激光器。今年，四個(gè)不同的團(tuán)隊(duì)展示了對(duì)光發(fā)射的終級(jí)控制，顯示出TMDC硒化鎢（WSe2）能夠吸收和釋放單個(gè)光子。這為需要用單光子光源編碼的量子密碼術(shù)和通信提供了更好的儀器基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的單光子發(fā)射體通常由半導(dǎo)體制成，但2D材料可以做的更小，更容易與其它設(shè)備整合。它們的發(fā)射極都必然在其表面上，這也使它們更有效率，也更容易控制。
即使研究人員掌握了TMDCs，理論家們?nèi)栽趯で罂赡茉趦蓚€(gè)維度上進(jìn)行設(shè)計(jì)的其它材料。一個(gè)明顯的候選者是硅，它位于周期表中碳的正下方，以與碳類似的方式形成化學(xué)鍵，且具有天然帶隙，并已廣泛用于電子工業(yè)。計(jì)算表明，不同于石墨烯，原子厚的硅片將具有脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，可能被壓扁和拉伸以創(chuàng)建一個(gè)可調(diào)諧的帶隙。但是，像石墨烯，這個(gè)“硅烯”（silicene）將比大多數(shù)TMDCs的導(dǎo)電速度更快。
理論認(rèn)為硅烯的二維形式非常活潑，在空氣中完全不穩(wěn)定。因?yàn)樘烊还柚淮嬖谝粋€(gè)類似于金剛石晶體的三維形式，也沒有類似的碳石墨中發(fā)現(xiàn)的分層，就不可能是像其它2D材料一樣從晶體撕開。
“人們說，這是瘋狂的，并且永遠(yuǎn)不會(huì)成功，”法國(guó)埃克斯——馬賽大學(xué)的物理學(xué)家Guy Le Lay說。但由于他多年一直在硅表面生長(zhǎng)金屬，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)反向制備硅烯的方式——薄片硅原子在金屬表面成長(zhǎng)，并在2012年取得成功。通過這一努力的鼓舞，Le Lay和其他人繼續(xù)探索周期表中碳下方的元素。去年，他用類似的技術(shù)在金表面上生長(zhǎng)出了鍺原子的2D網(wǎng)格（鍺烯，germanene）。他的下一個(gè)目標(biāo)是stanene：錫原子二維晶格。Stanene應(yīng)具有的帶隙比任何silicene和germanene都大，這將允許其設(shè)備在較高的溫度和電壓下工作。而據(jù)預(yù)測(cè)只是其外側(cè)的邊緣可以帶電荷，所以它應(yīng)該具有超強(qiáng)的導(dǎo)電效率。但他也面臨著競(jìng)爭(zhēng)。雖然目前還沒有人報(bào)道stanene成功生長(zhǎng)，有傳言中國(guó)的研究小組接近于達(dá)成這一目標(biāo)。
其他科學(xué)家也正在探索周期表的其它不同部分。張遠(yuǎn)波的團(tuán)隊(duì)和普渡大學(xué)葉培德教授的實(shí)驗(yàn)室去年報(bào)道了從黑磷剝離2D原子層，而黑磷這種固體物質(zhì)已經(jīng)被研究了一個(gè)世紀(jì)。這種“磷烯”與石墨烯一樣，可以迅速地傳導(dǎo)電子。但不同于石墨烯的是，它具有天然的帶隙，并且比silicene更穩(wěn)定。
磷烯的發(fā)展也異常迅猛。在2013年美國(guó)物理學(xué)會(huì)的年會(huì)上，它僅僅是張遠(yuǎn)波研究團(tuán)隊(duì)成員的一個(gè)講演主題。到了2015年，這次年會(huì)有三個(gè)大型專題會(huì)議專門討論它。但是磷烯與氧氣和水的反應(yīng)非常強(qiáng)烈。如果要使其持續(xù)超過幾個(gè)小時(shí)或更長(zhǎng)的時(shí)間，它所需要夾在其它材料層中間。由于這種天然的不穩(wěn)定性，此類設(shè)備的制造非常困難。Le Lay估計(jì)，大約80％關(guān)于此類材料的論文仍然只是理論。
然而，張遠(yuǎn)波和葉培德的團(tuán)隊(duì)成功地用磷烯做成了晶體管。今年，第一種從silicene做成的晶體管問世，盡管它僅存活了幾分鐘。盡管如此，Le Lay樂觀地認(rèn)為，這些問題并非不可克服。就在兩年前，Geim和其他物理學(xué)家認(rèn)為silicene晶體管不能以目前的技術(shù)制成。“所以預(yù)測(cè)未來是非常危險(xiǎn)的，”Le Lay笑著說。
當(dāng)一些物理學(xué)家繼續(xù)尋找新的2D材料，并嘗試了解它們的性質(zhì)時(shí)，其他一些科學(xué)家已經(jīng)將它們結(jié)合在一起。這意味著由不同的2D材料堆疊起來，得到微小密集的3D電路元件。由于二維材料的每一層中的原子與相鄰層產(chǎn)生較弱的相互作用，所以其層間應(yīng)變最小。這克服了用一般電子元件構(gòu)建3D器件的過程中一個(gè)關(guān)鍵的困難。
例如，目前石墨烯已被用于與MoS2和WSe2一起創(chuàng)建太陽能電池和光感應(yīng)器的核心交界處部件，以利用半導(dǎo)體的吸收光子能力，以及石墨烯迅速傳導(dǎo)電子的能力。今年二月，Novoselov和他的團(tuán)隊(duì)扭轉(zhuǎn)了太陽能電池概念，通過石墨烯電極之間的二硫化鉬和其它TMDCs制成了發(fā)光二極管。通過選擇不同的TMDCs，該團(tuán)隊(duì)還可以選擇釋放光子的波長(zhǎng)。
TMDC分子含有一個(gè)過渡金屬原子（綠色）和兩個(gè)硫族原子（桔色），可形成只有一分子厚度的薄層。
更妙的是，夾在不同2D原子層的材料可以讓物理學(xué)家微調(diào)這些設(shè)備。香港大學(xué)的物理學(xué)家姚望說，雖然層與層之間的作用很薄弱，但原子的接近也意味著它們可以以微妙的方式影響彼此的性質(zhì)。堆疊的順序，間隔和方向都可以控制裝置的行為。“模擬這種材料會(huì)讓像我這樣的理論家頭疼，但新的物理特性是肯定有的，”姚望說。
意大利納米科學(xué)和技術(shù)國(guó)家企業(yè)（NEST）的物理學(xué)家Marco Polini說，即使石墨烯也可以從其它2D材料得到改進(jìn)。他的研究小組一直致力于夾在絕緣體氮化硼二維層之間的石墨烯設(shè)備。當(dāng)激光聚焦在該設(shè)備上，它就會(huì)被壓縮并通過石墨烯層傳導(dǎo)，比夾在一般材料之間的石墨烯器件效果好得多。原則上，這可以在芯片之間提供一種光子傳輸信息的方式而不是電子傳輸信息的方式。Polini說，這可能意味著芯片內(nèi)能更快和更有效地通信。
目前圍繞二維材料的熱潮讓人想起關(guān)于石墨烯在2005年引起的狂熱，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的物理學(xué)家Jari Kinaret說。但Kinaret警告說，可能需要二十年后才能真正評(píng)估這些材料的潛力。“二維材料的初步研究都集中在電子學(xué)特性上，因?yàn)檫@些接近物理學(xué)家的愿望，”Kinaret說。“但我認(rèn)為，如果它們能真正地得以應(yīng)用，很可能是在一個(gè)完全不可預(yù)測(cè)的領(lǐng)域。”
多種不同的平面材料疊加能發(fā)揮每種材料的最好性能。Source: H. Terrones et al. Sci. Rep. 3, 1549 (2013)
在實(shí)驗(yàn)室里看起來不錯(cuò)的材料并不總是能夠滿足現(xiàn)實(shí)世界的需求。所有二維材料所面對(duì)的一個(gè)主要問題是如何便宜地生產(chǎn)均勻、無缺陷的材料層。黏性膠帶方法適用于TMDCs和磷烯，但太費(fèi)時(shí)以至于難以擴(kuò)大規(guī)模。而且制作黑磷價(jià)格也昂貴，因?yàn)樗枰獙?duì)自然界的白磷施以極高的壓力。制造單層結(jié)構(gòu)的過程都從未完善，更別說更復(fù)雜的復(fù)合層結(jié)構(gòu)了。“我們花了很長(zhǎng)的時(shí)間得到異質(zhì)層，”西雅圖華盛頓大學(xué)的物理學(xué)家徐曉東說。“我們希望其能加速或?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化，這還有很多工作要做。”
http://www.nature.com/news/the-super-materials-that-could-trump-graphene-1.17775