石墨烯后又一輪超級材料創新高潮襲來

       多個類型的平面材料堆砌在一起，可能展現每個的最佳性能。圖片來源：H. Terrones et al

　　物理學家習慣使用他們所能想到的最好的詞語來形容石墨烯。這絲薄的單原子厚度的碳是靈活、透明的，比鋼強、比銅導電好，雖然非常薄，但它實際上是二維材料。在2004年被分離出來后不久，石墨烯就成為全世界研究人員癡迷的對象。

　　不過，對Andras Kis而言并非如此。Kis表示，與石墨烯一樣不可思議的是，“我覺得必須超越碳”。因此，在2008年，當他有機會在瑞士聯邦理工學院（EPFL）組建自己的納米電子學研究團隊時，Kis專注于研究一種超平材料。

　　這些材料有一個“笨拙”的名字：過渡金屬硫化物（TMDC），但它們具有相當簡單的二維結構。鉬或鎢等過渡金屬原子的單排結構，夾在同樣薄的硫元素層之間，例如硫和硒——在元素周期表中，它們均位于氧元素的下方。Kis表示，TMDC幾乎與石墨烯同樣薄、透明和靈活。“但它們莫名奇妙地就得到一個沒有趣的名聲，我認為它們應該有第二次機會。”

　　他是對的。很快，研究人員發現，不同基礎成分搭配制成的TMDC具有大范圍的電子和光學特性。例如，與石墨烯不同，許多TMDC是半導體，這意味著它們有潛力被制成分子級別的數字處理器，并比硅更加節能。

　　在幾年中，全世界大量實驗室已經加入了追尋這種二維材料的行列。“最初是一種，然后是兩種、三種，突然間，變成了二維材料王國。”Kis說。從2008年的零星出版，到現在每天6篇出版物問世，二維TMDC不斷發展。物理學家認為可能有約500種二維材料，不只石墨烯和TMDC，還包括單層金屬氧化物和單元素材料。“如果你想要一個給定屬性的二維材料，那么你將能找到一個。”愛爾蘭都柏林三一學院物理學家Jonathan Coleman說。

　　“每一個都像樂高積木，如果你將它們拼在一起，或許就能做出一個全新的東西。”Kis說。

　　平面大冒險

　　僅幾個原子厚度的材料，就能有非常不同的基本特性。“即便塊體材料乏善可陳，但如果你能將它變為二維形式，它會打開新的大門。”中國復旦大學實驗凝聚態物理學家張遠波說。

　　碳就是一個典型的案例。2004年，物理學家Andre Geim和Konstantin Novoselov首次報告稱，他們在英國曼徹斯特大學的實驗室分離出了石墨烯。他們的技術非常簡單。基本步驟是，在石墨薄片上按壓一條膠帶，然后將膠帶撕下，膠帶上就殘留有一些原子厚度的薄層。通過重復該過程，他們最終得到了單原子層，于是Geim和Novoselov得以開始研究石墨烯的特性。該研究獲得2010年諾貝爾物理學獎。

　　物理學家很快開發出該物質的許多應用特性，從制作可彎曲屏幕到能源儲存。但不幸的是，石墨烯并不適用于數字電子學領域。而對于這一領域而言，理想材料是半導體。

　　不過，Geim和Novoselov在制作石墨烯方面獲得的成功激勵了其他研究人員。Kis等人開始探索可替代的二維材料。于是，他們瞄準了TMDC。到2010年，Kis團隊利用TMDC二硫化鉬制出了首個單層晶體管，并預測有一天這些設備能提供柔性電子。2010年的諸多研究顯示，二硫化鉬能有效吸收和發射光，使其有望用于太陽能電池和光電探測器。

　　法國圖盧茲物理和化學納米實驗室物理學家Bernhard Urbaszek表示，單層TMDC能捕獲超過10%的攝入光子，這對于3個原子厚度的材料而言是一個不可思議的數字。這也幫助他們解決了另一個問題：將光轉化為電。當光子撞到這個三層晶體管上時，能推動電子穿越能隙，并允許其穿過一個外部電路。每個自由電子會在該晶體中留下一個真空區，這里是電子本來的位置—— 一個帶正電荷的洞。加上電壓后，這些洞和電子會向不同的方向循環，從而產生一個電流凈流。

　　該過程還能被逆轉，即將電轉化為光。如果電子和真空洞被從一個外部環路注入TMDC，當它們相遇時就會再次組合然后釋放光子。這種光電相互轉化的能力使得TMDC有望被用于利用光傳輸信息、用作微小的低功率光源，甚至激光。

　　不過，二硫化鉬的電子遷移速率仍然不夠高，很難在擁擠的電子市場中具有競爭優勢。其原因是這種材料的結構特征，電子在其內部移動時，碰到較大的金屬原子后會在其結構內發生彈離，從而降低遷移速度。

　　今年，4個不同的研究小組均發現，TMDC二硒化鎢能吸收和釋放單個光子。Urbaszek提到，而量子密碼和通訊領域正是需要這樣的發射器，當你“按下按鈕，就能得到一個光子”。現有的單光子發射器通常由塊狀半導體制成，而二維材料將更小且更容易與其他設備集成。

　　元素偏移

　　也有研究小組正在探索元素周期表的不同部分。張遠波小組和美國普渡大學的Peide Ye研究組，在去年成功制備了基于新型二維晶體黑磷的場效應晶體管器件。這一新型二維半導體材料是繼石墨烯、二硫化鉬之后的又一重要進展，為二維晶體材料家族增添了一位新成員。

　　黑磷是磷的一種同素異形體，是由單層的磷原子堆疊而成的二維晶體。與石墨烯最大的不同是，黑磷有一個半導體能隙，而且比硅烯更穩定。黑磷的半導體能隙是個直接能隙，將增強其和光的直接耦合，讓黑磷成為未來光電器件（例如光電傳感器）的一個備選材料。

　　不過，與其他純元素二維材料一樣，黑磷能與氧氣和水發生非常強的反應。“在24小時后，我們可以看到材料表面的氣泡，然后整個設備在數日內就會失效。”得州大學奧斯汀分校二維黑磷單晶專家Joon-Seok Kim說。如果要使其持續數小時，就需要將它夾在其他材料層之間。這種天然的不穩定性，使制造設備十分困難。因此，法國艾克斯·馬賽大學物理學家Guy Le Lay預計，目前有關黑磷的80%的論文仍停留在理論階段。

　　而且，中國臺灣新竹“國立清華大學”材料學教授Yi-Hsien Lee也表示，二維黑磷單晶之所以獲得一些研究人員的青睞，是因為這種材料易于上手——像石墨烯那樣，可以輕而易舉地用透明膠帶剝落黑鱗的薄片。“這是同一種方法。但這并不意味著，二維黑磷單晶前景大好。”

　　盡管如此，張遠波和Ye在制造黑磷晶體管方面仍取得成功。而且，今年首個硅烯晶體管問世。兩年前，科學家曾指出，現有技術無法制造硅烯晶體管。“因此，預測未來通常十分危險。”Le Lay開玩笑稱。但Le Lay認為仍有困難難以克服。

　　正當一些物理學家在尋找新二維材料，并試圖弄清其特性時，其他人則在將它們夾在一起。“與試圖選出一種材料并說這是最好的不同，或許最好的方法是將它們以某種方式結合在一起，以便它們不同的特性能被適當應用。”Kis說。這可能意味著，堆積不同的二維材料，制成微小、密集三維環路。

　　實際預測

　　歐盟石墨烯旗艦項目負責人、瑞典歌德堡查爾姆斯理工大學物理學家Jari Kinaret表示，當前圍繞二維材料的熙攘，讓人聯想到2005年石墨烯帶給人們的興奮。該項目也研究其他二維材料。但Kinaret警告稱，可能需要20年才能預估這些材料的潛在性能。“最初的二維材料研究主要關注其電子特性，因為這更接近物理學家的內心。”Kinaret說，“但我認為，這些應用如果能到來，可能完全出乎意料。”

　　那些在實驗室里看上去很好的材料，通常在現實世界里無法發揮其功效。所有二維材料面臨的一個重要問題是，如何便宜地制造統一、無缺陷的薄層。“粘帶方法”能很好地適用于TMDC和黑磷，但卻浪費時間。而且，在制作塊體黑磷時，該方法成本較高。目前，沒有人能從零開始完善單層二維材料的制備，更不必說物理學家認為有前途的分層結構了。“需要很長時間制作我們的異質結構。”華盛頓大學物理學家徐曉東（音譯）說，“我們如何能加速或自動制備？還有很多工作需要做。”

　　這些實際問題將妨礙二維材料實現其最初的“愿景”。“有許多這樣的工作，結果只是一時狂熱。”Kis說，“但我認為如此多的材料和不同特性，將能確保產出一些結果。”同時，Coleman指出，二維材料王國正在擴張。單層砷烯也已經在研究人員頭腦里占有一席之地。

　　“當人們開始擴展范圍時，他們會發現具有優良性能的新材料。”Coleman說，“最令人興奮的二維材料可能尚未制作出來。”（張章）