二维材料有哪些

科学观察, 2018, 13(6): 40-41 doi: 10.15978/j.cnki.1673-5668.201806005中国热点论文分析 二维材料研究现状及展望梁涛, 徐明生* 浙江大学信息科学与电子工程学院,硅材料国家重点实验室 杭州 310027Online: 2018-12-15作者简介 About authors梁涛,浙江大学博士后,助理研究员,从事二维材料制备以及器件研究徐明生,浙江大学信息与电子工程学院教授,主要从事二维材料及器件研究 。二维材料是一大类材料的统称,指的是在一个维度上材料尺寸减小到极限的原子层厚度,而在其他两个维度,材料尺寸相对较大。最典型也是最早实验证明的二维材料是石墨烯。2004年,K. S. Novoselov等人在Science杂志发表文章,报道了通过机械剥离的方法从高取向的裂解石墨中获得了石墨烯,且证明了其独特优异的电学性质。自此之后,以石墨烯为代表的二维材料获得了快速的发展,新的二维材料如雨后春笋般涌现。得益于其原子层厚度方向上的量子局限效应,这些二维材料展示出与其对应的三维结构截然不同的性质,因此受到了科学界和工业界的广泛关注。除石墨烯之外,其他的二维材料还包括：单元素的硅烯、锗烯、锡烯、硼烯和黑磷等,过渡金属硫族化合物如MoS2、WSe2、ReS2、PtSe2、NbSe2等,主族金属硫族化合物如GaS、InSe、SnS、SnS2等,以及其他二维材料如h-BN、CrI3、NiPS3、Bi2O2Se等。这些二维材料具有完全不同的能带结构以及电学性质,覆盖了从超导体、金属、半金属、半导体到绝缘体等材料类型。同时,他们也具有优异的光学、力学、热学、磁学等性质。通过堆垛种类不同的二维材料,可以构筑功能性更强的材料体系。因此,这些材料有望在高性能电子器件、光电子器件、自旋电子器件以及能源转换和存储等领域得到应用。现阶段对于二维材料的研究集中在制备、表征、修饰改性、理论计算以及应用探索等几个方面,且均已取得了很大的进展。例如,在制备方面,机械剥离法被广泛用来制备得到二维材料样品,供实验室物性研究以及器件制作利用化学气相沉积的方法可以制备大面积、高质量、层数可控的石墨烯以及部分过渡金属硫族化合物材料,为商业化应用奠定了基础。对于二维材料的表征,研究人员已经建立起互补的光谱学以及电子传输学等一系列表征手段。修饰改性也是二维材料发展的一个很重要的方面,通过掺杂、化学修饰、静电调控、合金等手段,可以最大程度地规避材料本身的不足,发挥其优势。理论计算在二维材料的发展中起到了至关重要的作用,通过理论计算可以发掘更多的新型二维材料,预测其性能,解释观察到的现象,指导实验设计。在应用方面,基于石墨烯的高频晶体管的构筑,基于MoS2的短沟道的场效应晶体管和隧穿晶体管,以及其他高效发光以及光探测器件的实现,都展现出了二维材料巨大的应用潜力

二维材料是一类新的材料，厚度从单个原子层到几个原子层的材料称为二维材料。最典型的二维材料是石墨烯，只有一个原子厚，约0.34 nm厚，碳原子在平面内以共价键的形式结合，形成六边形蜂窝状平面结构。二维材料表现出不同于普通材料的奇异性质，这是由于其超薄的厚度造成的量子限制效应。例如，石墨烯中的电子在k点附近具有线性色散关系，在k点处表现为无质量狄拉克费米子，具有超高的载流子迁移率(约2E6 cm2V-1s-1，固态通信。

2008,146,351-355)体WS2为间隙半导体，而单层WS2为直接带隙半导体，具有超激子结合能(0.7-0.8 ev，Nature，2014，513，214-218；固态通信。, 2015, 203, 16-20.)，并显示出谷旋光特性(proc。纳特。阿卡德。sci。, 2014, 111, 11606-11611).因此，这些奇怪的性质使得二维材料成为物理、化学和材料科学研究的焦点。此外，二维材料的超薄特性有望解决常规半导体面临的短沟道效应，进一步缩小晶体管尺寸，在大规模集成电路领域具有潜在的应用前景。

二维材料包括超导、金属、半金属、拓扑绝缘体、半导体和绝缘体材料。例如，单层TaS2具有超导性，单层NbTe2为金属，少层Bi2Se3为拓扑绝缘体，单层WS2为直间隙半导体，单层BN为绝缘体。二维材料的带隙覆盖面积非常广，可以制备不同波段的光电探测器。随着研究的深入，二维材料的数量越来越多。

二维材料家族涵盖了绝缘体、半导体、半金属、金属和超导体，是目前凝聚态物理和材料科学领域的研究热点。制备高质量的二维材料，特别是原子层量级的超薄材料，是开展本征物性研究和探索新现象的基础。

随着研究的深入，多种二维材料的制备手段逐渐发展起来，包括化学气相沉积法（CVD），分子束外延法（MBE）、液相剥离法和机械解理法等。

扩展资料

二维材料因其载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内，使得这种材料展现出许多奇特的性质。其带隙可调的特性在场效应管、光电器件、热电器件等领域应用广泛；其自旋自由度和谷自由度的可控性在自旋电子学和谷电子学领域引起深入研究；

不同的二维材料由于晶体结构的特殊性质导致了不同的电学特性或光学特性的各向异性，包括拉曼光谱、光致发光光谱、二阶谐波谱、光吸收谱、热导率、电导率等性质的各向异性，在偏振光电器件、偏振热电器件、仿生器件、偏振光探测等领域具有很大的发展潜力。

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