石墨烯后又一轮超级材料创新高潮袭来

       多个类型的平面材料堆砌在一起，可能展现每个的最佳性能。图片来源：H. Terrones et al

　　物理学家习惯使用他们所能想到的最好的词语来形容石墨烯。这丝薄的单原子厚度的碳是灵活、透明的，比钢强、比铜导电好，虽然非常薄，但它实际上是二维材料。在2004年被分离出来后不久，石墨烯就成为全世界研究人员痴迷的对象。

　　不过，对Andras Kis而言并非如此。Kis表示，与石墨烯一样不可思议的是，“我觉得必须超越碳”。因此，在2008年，当他有机会在瑞士联邦理工学院（EPFL）组建自己的纳米电子学研究团队时，Kis专注于研究一种超平材料。

　　这些材料有一个“笨拙”的名字：过渡金属硫化物（TMDC），但它们具有相当简单的二维结构。钼或钨等过渡金属原子的单排结构，夹在同样薄的硫元素层之间，例如硫和硒——在元素周期表中，它们均位于氧元素的下方。Kis表示，TMDC几乎与石墨烯同样薄、透明和灵活。“但它们莫名奇妙地就得到一个没有趣的名声，我认为它们应该有第二次机会。”

　　他是对的。很快，研究人员发现，不同基础成分搭配制成的TMDC具有大范围的电子和光学特性。例如，与石墨烯不同，许多TMDC是半导体，这意味着它们有潜力被制成分子级别的数字处理器，并比硅更加节能。

　　在几年中，全世界大量实验室已经加入了追寻这种二维材料的行列。“最初是一种，然后是两种、三种，突然间，变成了二维材料王国。”Kis说。从2008年的零星出版，到现在每天6篇出版物问世，二维TMDC不断发展。物理学家认为可能有约500种二维材料，不只石墨烯和TMDC，还包括单层金属氧化物和单元素材料。“如果你想要一个给定属性的二维材料，那么你将能找到一个。”爱尔兰都柏林三一学院物理学家Jonathan Coleman说。

　　“每一个都像乐高积木，如果你将它们拼在一起，或许就能做出一个全新的东西。”Kis说。

　　平面大冒险

　　仅几个原子厚度的材料，就能有非常不同的基本特性。“即便块体材料乏善可陈，但如果你能将它变为二维形式，它会打开新的大门。”中国复旦大学实验凝聚态物理学家张远波说。

　　碳就是一个典型的案例。2004年，物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov首次报告称，他们在英国曼彻斯特大学的实验室分离出了石墨烯。他们的技术非常简单。基本步骤是，在石墨薄片上按压一条胶带，然后将胶带撕下，胶带上就残留有一些原子厚度的薄层。通过重复该过程，他们最终得到了单原子层，于是Geim和Novoselov得以开始研究石墨烯的特性。该研究获得2010年诺贝尔物理学奖。

　　物理学家很快开发出该物质的许多应用特性，从制作可弯曲屏幕到能源储存。但不幸的是，石墨烯并不适用于数字电子学领域。而对于这一领域而言，理想材料是半导体。

　　不过，Geim和Novoselov在制作石墨烯方面获得的成功激励了其他研究人员。Kis等人开始探索可替代的二维材料。于是，他们瞄准了TMDC。到2010年，Kis团队利用TMDC二硫化钼制出了首个单层晶体管，并预测有一天这些设备能提供柔性电子。2010年的诸多研究显示，二硫化钼能有效吸收和发射光，使其有望用于太阳能电池和光电探测器。

　　法国图卢兹物理和化学纳米实验室物理学家Bernhard Urbaszek表示，单层TMDC能捕获超过10%的摄入光子，这对于3个原子厚度的材料而言是一个不可思议的数字。这也帮助他们解决了另一个问题：将光转化为电。当光子撞到这个三层晶体管上时，能推动电子穿越能隙，并允许其穿过一个外部电路。每个自由电子会在该晶体中留下一个真空区，这里是电子本来的位置—— 一个带正电荷的洞。加上电压后，这些洞和电子会向不同的方向循环，从而产生一个电流净流。

　　该过程还能被逆转，即将电转化为光。如果电子和真空洞被从一个外部环路注入TMDC，当它们相遇时就会再次组合然后释放光子。这种光电相互转化的能力使得TMDC有望被用于利用光传输信息、用作微小的低功率光源，甚至激光。

　　不过，二硫化钼的电子迁移速率仍然不够高，很难在拥挤的电子市场中具有竞争优势。其原因是这种材料的结构特征，电子在其内部移动时，碰到较大的金属原子后会在其结构内发生弹离，从而降低迁移速度。

　　今年，4个不同的研究小组均发现，TMDC二硒化钨能吸收和释放单个光子。Urbaszek提到，而量子密码和通讯领域正是需要这样的发射器，当你“按下按钮，就能得到一个光子”。现有的单光子发射器通常由块状半导体制成，而二维材料将更小且更容易与其他设备集成。

　　元素偏移

　　也有研究小组正在探索元素周期表的不同部分。张远波小组和美国普渡大学的Peide Ye研究组，在去年成功制备了基于新型二维晶体黑磷的场效应晶体管器件。这一新型二维半导体材料是继石墨烯、二硫化钼之后的又一重要进展，为二维晶体材料家族增添了一位新成员。

　　黑磷是磷的一种同素异形体，是由单层的磷原子堆叠而成的二维晶体。与石墨烯最大的不同是，黑磷有一个半导体能隙，而且比硅烯更稳定。黑磷的半导体能隙是个直接能隙，将增强其和光的直接耦合，让黑磷成为未来光电器件（例如光电传感器）的一个备选材料。

　　不过，与其他纯元素二维材料一样，黑磷能与氧气和水发生非常强的反应。“在24小时后，我们可以看到材料表面的气泡，然后整个设备在数日内就会失效。”得州大学奥斯汀分校二维黑磷单晶专家Joon-Seok Kim说。如果要使其持续数小时，就需要将它夹在其他材料层之间。这种天然的不稳定性，使制造设备十分困难。因此，法国艾克斯·马赛大学物理学家Guy Le Lay预计，目前有关黑磷的80%的论文仍停留在理论阶段。

　　而且，中国台湾新竹“国立清华大学”材料学教授Yi-Hsien Lee也表示，二维黑磷单晶之所以获得一些研究人员的青睐，是因为这种材料易于上手——像石墨烯那样，可以轻而易举地用透明胶带剥落黑鳞的薄片。“这是同一种方法。但这并不意味着，二维黑磷单晶前景大好。”

　　尽管如此，张远波和Ye在制造黑磷晶体管方面仍取得成功。而且，今年首个硅烯晶体管问世。两年前，科学家曾指出，现有技术无法制造硅烯晶体管。“因此，预测未来通常十分危险。”Le Lay开玩笑称。但Le Lay认为仍有困难难以克服。

　　正当一些物理学家在寻找新二维材料，并试图弄清其特性时，其他人则在将它们夹在一起。“与试图选出一种材料并说这是最好的不同，或许最好的方法是将它们以某种方式结合在一起，以便它们不同的特性能被适当应用。”Kis说。这可能意味着，堆积不同的二维材料，制成微小、密集三维环路。

　　实际预测

　　欧盟石墨烯旗舰项目负责人、瑞典歌德堡查尔姆斯理工大学物理学家Jari Kinaret表示，当前围绕二维材料的熙攘，让人联想到2005年石墨烯带给人们的兴奋。该项目也研究其他二维材料。但Kinaret警告称，可能需要20年才能预估这些材料的潜在性能。“最初的二维材料研究主要关注其电子特性，因为这更接近物理学家的内心。”Kinaret说，“但我认为，这些应用如果能到来，可能完全出乎意料。”

　　那些在实验室里看上去很好的材料，通常在现实世界里无法发挥其功效。所有二维材料面临的一个重要问题是，如何便宜地制造统一、无缺陷的薄层。“粘带方法”能很好地适用于TMDC和黑磷，但却浪费时间。而且，在制作块体黑磷时，该方法成本较高。目前，没有人能从零开始完善单层二维材料的制备，更不必说物理学家认为有前途的分层结构了。“需要很长时间制作我们的异质结构。”华盛顿大学物理学家徐晓东（音译）说，“我们如何能加速或自动制备？还有很多工作需要做。”

　　这些实际问题将妨碍二维材料实现其最初的“愿景”。“有许多这样的工作，结果只是一时狂热。”Kis说，“但我认为如此多的材料和不同特性，将能确保产出一些结果。”同时，Coleman指出，二维材料王国正在扩张。单层砷烯也已经在研究人员头脑里占有一席之地。

　　“当人们开始扩展范围时，他们会发现具有优良性能的新材料。”Coleman说，“最令人兴奋的二维材料可能尚未制作出来。”（张章）