可以改變世界的二維材料

天元航材氮化硼生產(chǎn)廠家的小編告訴您，要知道3D 和三維一直是二十一世紀(jì)以來(lái)的熱門詞匯，例如 3D 電影，3D 打印等。在這些行業(yè)中，三維不但意味著更好的視覺(jué)效果，還意味著更高的技術(shù)水平，然而對(duì)于某些領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，事情卻不是這樣。

    在兩千多年前，哲學(xué)家就曾對(duì)物質(zhì)本源的問(wèn)題，產(chǎn)生過(guò)激烈的討論。原子派認(rèn)為物質(zhì)在無(wú)限分割之后，最終會(huì)小到無(wú)法分割。所以他們把組成的物質(zhì)稱為原子，寓意為「不可分割」。

隨著時(shí)間的流逝，雖然現(xiàn)代依然沿用了原始的詞匯「原子」，但是其不可分割的本意早已名存實(shí)亡。科學(xué)家在近百年通過(guò)利用物理的手段證明原子是可以分割的。原子的定義變成了保持化學(xué)性質(zhì)的最小單位。

即便原子是可以分割的，但最大的原子仍然達(dá)不到肉眼可見的程度，可以說(shuō)人們目前能夠看到的物質(zhì)都是由原子三維堆疊而成的。如果能把原子平鋪為一層，那么這種物質(zhì)也就是當(dāng)之無(wú)愧的二維材料。

     在對(duì)原子有了一定認(rèn)識(shí)之后，研究人員在嘗試了各種形式的材料，在理論上證明二維材料是最薄的材料，并認(rèn)為這種材料不會(huì)穩(wěn)定存在。所以沒(méi)有人把這類物質(zhì)放在心上。

2004 年石墨烯的發(fā)現(xiàn)徹底改變了人們?cè)镜目捶ǎ栽咏M成的二維材料成功的登上了歷史的舞臺(tái)?？茖W(xué)界對(duì)石墨烯的關(guān)注熱情也逐漸拓展到了其他的二維材料上，越來(lái)越多的二維材料被發(fā)現(xiàn)并研究。

    本文將會(huì)帶大家了解目前比較出名的二維材料，體會(huì)微觀材料的魅力與前景。

石墨烯

石墨烯是 2004 年首次被分離出來(lái)的二維材料，承擔(dān)了很多第一的稱號(hào)。它是由碳原子組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維材料，和其他類型的材料相比，展示出了眾多的優(yōu)點(diǎn)。但是最重要的一點(diǎn)，就是它引發(fā)了人們對(duì)二維材料研發(fā)的興趣。

石墨烯有很多讓人驚訝的特點(diǎn)，在極低溫度下，電子在石墨烯中的傳輸速度比硅快 100 倍；擁有非常出色的導(dǎo)熱能力；可見光透過(guò)率高；強(qiáng)度極高，是鋼鐵的一百倍；原子層只允許水分子通過(guò)。這一系列特點(diǎn)，讓石墨烯在各個(gè)領(lǐng)域大展拳腳。

半導(dǎo)體廠商可以用石墨烯來(lái)覆蓋整個(gè)芯片并快速構(gòu)造射頻晶體管，但是使用石墨烯作出邏輯電路是非常困難的。因?yàn)楣韬推渌雽?dǎo)體材料的特點(diǎn)之一就是具有帶隙，他們的原子會(huì)束縛電子，直到電子接受到足夠的能量之后才可以在材料上自由移動(dòng)。而石墨烯沒(méi)有帶隙，無(wú)法選擇開或者關(guān)的狀態(tài)。但是也有辦法來(lái)誘導(dǎo)石墨烯產(chǎn)生一個(gè)帶隙，例如在石墨烯之上再疊一層石墨烯，或者在材料上切割一條納米帶，都可以產(chǎn)生帶隙。但是這些改性方法都會(huì)降低電子在石墨烯中的運(yùn)動(dòng)速度。

再加上石墨烯在超級(jí)電容器、海水過(guò)濾、透明電極等方面同樣具有應(yīng)用潛力，歐盟委員會(huì)宣布：在今年年初他們將會(huì)在石墨烯的研發(fā)上投入 10 億歐元的資金。同時(shí)，國(guó)內(nèi)對(duì)石墨烯的熱度也在不停地提高。

黑磷

黑磷作為一種新生的二維材料，其光電和能帶的特性贏得了研究人員的廣泛關(guān)注。

在用膠帶剝離石墨烯的啟發(fā)后，研究人員也嘗試用膠帶剝離單層的黑磷。而在 14 年，部分研究人員改進(jìn)了制造方式，使用液體剝落的方法，提高了制備黑磷烯的收益率。

結(jié)構(gòu)上來(lái)見，黑磷和石墨烯還是有很大差異的，黑磷并不是平面蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)。

    由于具有帶隙，黑磷在半導(dǎo)體領(lǐng)域顯示出了不同于石墨烯的特性。目前研究人員已經(jīng)成功地用黑磷制作出晶體管、柔性電路、光電器件，并通過(guò)與其他二維材料結(jié)合，收獲了更好的應(yīng)用。因而在半導(dǎo)體領(lǐng)域，黑磷的前景比石墨烯更加光明。

當(dāng)然，黑磷也不是完美的材料，由于黑磷會(huì)與空氣中的水反應(yīng)，不經(jīng)處理的話，晶體管會(huì)因?yàn)楹诹椎母g而失效。

氮化硼

   氮化硼的結(jié)構(gòu)和石墨極為類似，因此也稱為「白石墨」，而石墨烯也對(duì)人們探索氮化硼的制作方法有一定的啟發(fā)。

二維的氮化硼是由氮原子和硼原子交替組成的平面結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)和石墨烯類似，是六角蜂窩狀的平面。但是與石墨烯截然不同的是，它是一種優(yōu)良的絕緣體。

二硫化鉬的帶隙是自帶的，但是它的帶隙和硅的帶隙是不一樣的，二硫化鉬的是「直接帶隙」，而硅的帶隙是間接帶隙，直接帶隙的發(fā)光效率比間接帶隙高得多。

二硫化鉬僅僅是「過(guò)渡金屬二硫?qū)倩铩沟囊环N。這個(gè)家族中包含了 15 種不同的過(guò)渡金屬和硫、硒、碲三種硫?qū)倩?。目前針?duì)同家族的研究還非常少。

但是相比石墨烯來(lái)說(shuō)，二硫化鉬的電子遷移速率比較低。因?yàn)檫@種材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系，電子在其內(nèi)部移動(dòng)的時(shí)候，碰到平面的金屬原子后，會(huì)被其中的金屬原子彈離，因而遷移速率會(huì)受到一定影響。所以更常見的是研究者把二硫化鉬和石墨烯組合起來(lái)使用。

由于二硫化鉬自身的帶隙特點(diǎn)，它在太陽(yáng)能電池和光電領(lǐng)域非常有前景，有望改變感光器件的未來(lái)。

硅烯和鍺烯

   硅烯和鍺烯也是具有潛力的二維材料。而芯片制造廠商也更喜歡用這種熟悉的半導(dǎo)體來(lái)制造芯片，這兩種材料因?yàn)楹铣衫щy，所以在近幾年合成出來(lái)后，才得以研究。

和石墨烯不一樣的是將這些原子構(gòu)成二維材料的時(shí)候，材料平面會(huì)有不同程度的彎曲，而這會(huì)影響整個(gè)平面電子的一致性。但是因?yàn)樗鼈円簿哂袔叮瑯邮且环N半導(dǎo)體材料。

這兩種二維材料，尚有許多特性有待研究。

未來(lái)

科學(xué)家經(jīng)過(guò)不斷探索，發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多的二維材料，這些材料都有各自的特點(diǎn)——石墨烯的透光率、二硫化鉬的直接帶隙、氮化硼的絕緣性、黑磷烯的半導(dǎo)體性。這些特性能讓二維材料在不同的領(lǐng)域發(fā)揮各自特長(zhǎng)，然而這些材料都面臨著相同的困境。

把材料從實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用到生活中，需要漫長(zhǎng)的時(shí)間。如何穩(wěn)定的生產(chǎn)、如何控制好材料的良品率、如何才能生產(chǎn)質(zhì)量相同的產(chǎn)品都是一個(gè)材料走向?qū)嶋H應(yīng)用中面臨的問(wèn)題。

不過(guò)，越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)室開始研究二維材料這個(gè)新興的領(lǐng)域。每年都會(huì)有更多的二維材料被發(fā)現(xiàn)與研究。

黑磷正是其中最具潛力的一個(gè)，研究者在短短的幾年時(shí)間內(nèi)，就已經(jīng)開發(fā)出了黑磷的晶體管。雖然性能上還不讓人滿意。但毫無(wú)疑問(wèn)的是，黑磷的潛力不亞于石墨烯。筆者將會(huì)在下一篇繼續(xù)介紹黑磷是一種什么樣的二維材料。

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