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從Nat. Nanotechnol.、EES、CM等頂刊發文看二維材料最新進展

來源：科學10分鐘時間：2021-06-19 15:30:10 瀏覽：8250次

二維材料概述

二維材料是指電子僅可在兩個維度的納米尺度（1~100 nm）上自由運動（平面運動）的材料，如納米薄膜、超晶格、量子阱等。它的全名為二維原子晶體材料，是伴隨著2004年曼徹斯特大學Geim小組成功分離出單原子層的石墨材料——石墨烯而提出的。

由于石墨烯具有單原子層厚、高載流子遷移率、線性能譜、強度高等優點，其相關研究于2010年獲得諾貝爾物理學獎。自此，科學家和產業界對石墨烯這種二維材料就開始狂熱的追逐。和體相石墨所不同的是，石墨烯僅有一個碳原子層厚度，并表現出超優異的力學、電學等性能。與此同時，一大批石墨烯之外的二維材料也被相繼開發出來，從元素周期表來看，這些元素主要包括：過渡金屬、碳族元素、硫族元素等，涉及的二維材料包括：MXenes、TMDs（過渡金屬硫化物）、二維六方氮化硼、黑鱗等等，這些超薄的二維材料和石墨烯一樣，具有和體相材料截然不同的新性能（圖1）。

圖1 二維材料分類

相比于體相材料，單層二維材料的表面原子幾乎完全裸露，原子利用率也大大提高。通過厚度控制和元素摻雜，就可以更加容易地調控能帶結構和電學特性，警如硅烯和磷烯。二維材料可以是導體、半導體，也可以是絕緣體；可以是化學惰性，也可以隨時進行表面化學修飾。因此，二維材料在不同的應用領域，如電子、光電子、傳感器、催化、電池、生物醫學等方面展示了巨大的應用潛力。

筆者借助“Web of Science”數據庫對二維材料進行了數據統計，如圖2所示，可以看到，二維材料目前發展火熱，涉及領域包括材料、物理、化學、光學等諸多領域（“Web of Science”數據庫檢索“Two-dimensional layered material”）。

圖2 “Web of Science”數據庫檢索“Two-dimensional layered material”涉及領域

此外，同樣以“Two-dimensional layered material”為關鍵詞，檢索其在“Web of Science”數據庫上近十年來的發文量，可以看到，二維材料近些年的發文量基本上呈現非常明顯的穩步上升趨勢，可見二維材料的研究之火熱（圖3）。該趨勢一方面表示了二維材料的熱門，另一方面同樣也解釋了為什么二維材料頻頻登上Nature、Science、JACS、Angewan、AM等頂級學術期刊。

圖3 “Web of Science”數據庫統計近十年來二維材料發文趨勢

為了進一步展示二維材料的日漸火熱，筆者一覽頂級期刊關于二維材料的研究報道，并挑選部分最新成果進行了解讀，希望能給相關科研工作者們帶來一絲啟迪與借鑒！

最新成果

1、Nature Nanotechnology：魔角石墨烯隧道器件中的約瑟夫森效應

“魔角扭曲雙層石墨烯”（Magic-angle twisted bilayer graphene，MATBG）作為一種具有高度可操控調節屬性的二維材料，具有包括金屬態、絕緣體態和超導態等多種相結構。而針對這些相的局部靜電控制可以讓之前無法在單一材料平臺上實現的量子器件多用途操控成為可能。美國麻省理工學院的Pablo Jarillo-Herrero和曹原等人在MATBG中設計了約瑟夫森結和僅由靜電門定義的隧道晶體管。其設計的多門控制器件幾何結構為弱鏈、屏障和隧道電極提供了獨立控制特性，所觀察到的現象與超薄超導體的Pearl理論一致。利用MATBG的本征帶隙，作者還展示了在相同MATBG器件中的單片邊緣隧穿光譜，并且測量了MATBG在超導相中的能譜。同時，通過引入雙勢壘幾何結構，該器件可以作為一個單電子晶體管運行，并表現出庫侖阻塞。這些MATBG隧道器件在單一材料中具有多種功能，可應用于石墨烯基可調諧超導量子位、片上超導電路和電磁傳感等領域。此外，柵極定義的隧道結在探測MATBG中的超導階數參數方面顯示出突出的進展，有望進一步擴大莫爾條紋在物理學中的實際應用。

圖4 MATBG約瑟夫森結的非局部性和可調性

2、Energy & Environmental Science：MXene電解質用于高性能鋅離子電池

水系鋅離子電池（ZIBs）具有高容量、低成本和高安全性，這使其成為最有前途的新型儲能體系之一。當前，關于ZIBs的大多數研究都集中在開發具有更高容量的正極并優化鋅負極的循環性能。但就ZIBs的實際應用而言，長期以來人們一直忽略了電池的“存放壽命”（存放電池的時間）。水系ZIBs在存放時性能容易迅速惡化，這可以歸因于水溶液性質對溫度的高度敏感性以及Zn金屬負極與水系電解質之間的副反應，包括腐蝕、析氫（HER）和鈍化。這些副反應可能導致界面電阻增加，使鋅負極利用率降低，最終降低ZIBs的存放壽命。為了提高ZIBs的存放壽命，香港城市大學支春義教授首次利用聚丙烯酸甲酯（PMA）接枝MXenes來填充聚偏氟乙烯-共六氟丙烯(PVHF)，制備了固體聚合物電解質PVHF/MXene-g-PMA。由于高度接枝PMA和PVHF基體之間的相互作用，MXenes得以均勻分散。室溫下，PVHF/MXene-g-PMA比PVHF基體的離子電導率高3個數量級，達到了2.69×10^-4S cm^-1，實現了高度可逆的無枝晶鋅沉積/剝離。所制備的固態全電池消除了HER，抑制了鋅枝晶的產生，在2C倍率下可循環10000圈，并能在-35℃~100℃正常工作。此外，全固態ZIBs在低/高溫下的存放壽命超過90天。

圖5 基于PVHF/MXene-g-PMA的固態Zn/MnHCF全電池性能

3、Advanced Functional Materials：范德華表面上的氧化還原用于二維材料的可逆摻雜

近年來，超薄的二維原子晶體材料（比如石墨烯、六方氮化硼、過渡金屬硫化合物等）因其優越的穩定性、柔韌性、靈敏度以及載流子遷移率等引起了學者們極大的研究興趣。雖然這些原子厚度的納米薄膜的范德華表面具有化學惰性，但是摻雜仍然是調節半導體性能至關重要的途徑。然而，目前在二維材料中進行化學摻雜時，缺陷的引入常常會極地大影響到材料的穩定性和可重復性。有鑒于此，Thuc Hue Ly等人直接在完美的各向異性半導體（例如二硫化錸和二硒化錸）的范德華表面進行簡單的紫外線照射（潮濕環境）或者激光輻照成功地連接或者除去共價官能化的氧基團，實現了二維原子晶體材料的光學和電學性質的可逆調節。這種不涉及原子缺陷的光化學方法具有超高的可控性，并且可以有效地控制二維半導體材料中的光學、電學和化學性質。而且，該范德華表面的氧化和還原還被進一步拓展至微型器件上。無原子缺陷引入的范德華表面被氧化還原也為二維材料相關的表面功能化以及電化學方向的應用提供了機會。研究結果表明，這種與當前半導體行業密切相關的氧化還原方法，有望為二維材料的廣泛應用提供鋪墊。

圖6 通過光化學摻雜可調節的電傳輸性能

4、ACS Nano：超高長寬比氮化硼二維納米片展示出超高熱導率

近年來，集成電路和高功率器件的有效散熱已經成為制約其發展的主要因素，但隨著尖端電子產品多功能化和小型化趨勢的快速發展，高熱導率已經不再是先進熱材料的唯一需求，優異的電絕緣和機械性能等也應予以重點考慮。綜合來說，通過剝離h-BN塊材制備得到的兼具高面內熱導率(理論上可達1700~2000 W m^-1 K^-1)和高擊穿強度(~35 kV mm^-1)的六方氮化硼納米片(BNNS，又稱“白色石墨烯”)日益受到關注。為了充分利用BNNS的本征高熱導來提高復合材料的導熱性能，研究者們主要將目光集中在BNNS導熱逾滲網絡的構筑和BNNS/聚合物基體之間的表/界面修飾上，而對BNNS的長徑比(定義為橫向尺寸除以厚度)對復合材料導熱性能的影響卻涉獵不多。相關研究表明，提高石墨烯長寬比對石墨烯基復合材料的導熱增強有積極作用。因此，大長徑比的BNNS或許能夠成為提高氮化硼基導熱復合材料熱導率的新途徑。中科院寧波材料所林正得研究員等人開發了一種基于微射流技術剝離制備BNNS的方法，該方法產率高(70%~76%)，效率好，所得的BNNS長徑比高達1500。由這種BNNS和聚乙烯醇(PVA)基體通過抽濾法制備的復合薄膜，在BNNS含量為83 wt％時，平面內熱導率可達67.6 W m^-1 K^-1，相較于基體熱導率提高了約355倍，每1 wt% BNNS對熱導率的提高幅度更是達到了極高的427%，并兼具優良的力學和電學性能。該復合薄膜作為勻熱膜使用時，相較于柔性覆銅板，具有更優越的散熱性能，為新一代高導熱絕緣熱材料的開發提供了新思路。

圖7 BNNS/PVA復合薄膜的熱學性能

5、Chemistry of Materials：黑磷上范德華外延誘導的單晶金屬薄膜

由于非理想的界面結構，例如界面缺陷或在結處引入的化學反應，金屬-半導體結的性質通常是不可預測的。黑磷（BP）是元素二維半導體晶體，具有褶皺的原子結構以及很高的化學反應活性，但是BP晶體的質量很容易受到其表面不受控制的化學過程的破壞，例如，暴露于周圍環境或器件制造過程中引起的表面損傷。目前，相關研究主要致力于通過化學反應來鈍化BP表面，這可以在BP上形成保護層并提高設備操作的可靠性。盡管先前的BP表面失活可用于實現穩定的BP-介電界面，但對BP-金屬界面的研究相對較少，建立BP與金屬接觸界面的原子級圖像仍然遙遙無期。有鑒于此，韓國延世大學Hyoung Joon Choi等人研究了在BP上各種物理沉積金屬的界面結構和性質。研究發現，Au、Ag和Bi通過引導的范德華外延形成具有（110）取向的單晶薄膜。透射電子顯微鏡和X射線光電子能譜證實，形成的單晶薄膜具有原子級清晰的范德華金屬-BP界面，且表現出異常的旋轉排列。在弱金屬與BP相互作用下，BP的褶皺結構在吸附原子的組裝過程中起著至關重要的作用，并且可以導致形成單晶，理論分析和計算也支持了作者的該結論。研究還表明，BP-金屬結可根據金屬表現出各種類型的界面結構，例如形成多晶微結構或金屬磷化物。這項研究為獲得關于金屬-二維半導體界面結構的真實視圖提供了一定的指導。

圖8 BP上Au的范德華外延示意圖以及BP-金屬間相互作用的理論計算

總結與展望

不難發現，以石墨烯為代表的二維材料的“崛起”已經勢不可擋。筆者統計各大頂級期刊的最新科研成果，均能看到二維材料的身影，其在邏輯器件、存儲器件、射頻器件、傳感器件和柔性器件等領域均有著廣泛的應用。尤其是近年來魔角石墨烯的橫空出世，更是將二維材料的研究推向了高潮，相關科研工作者亦是可以以此為借鑒，拓寬思路！

參考文獻

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[4] Qingwei Yan, Wen Dai, Jingyao Gao, et al. Ultrahigh-Aspect-Ratio Boron Nitride Nanosheets Leading to Superhigh In-Plane Thermal Conductivity of Foldable Heat Spreader. ACS Nano 2021 15 (4), 6489-6498. DOI: 10.1021/acsnano.0c09229.

[5] Yangjin Lee, Han-gyu Kim, Tae Keun Yun, et al. Single-Crystalline Metallic Films Induced by van der Waals Epitaxy on Black Phosphorus. Chemistry of Materials. 2021. DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c00267.

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