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看二維材料王國開疆拓土 石墨烯創新高潮又來襲

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年被分離出來後不久,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。钼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具有大範圍的電子和光學特性。例如,與石墨烯不同,許多TMDC是半導體,這意味着它們有潛力被制成分子級别的數字處理器,并比矽更加節能。

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,然後是兩種、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,不隻石墨烯和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,那麼你将能找到一個。”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,如果你将它們拼在一起,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,但如果你能将它變為二維形式,它會打開新的大門。”中國複旦大學實驗凝聚态物理學家張遠波說。

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,然後将膠帶撕下,膠帶上就殘留有一些原子厚度的薄層。通過重複該過程,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,石墨烯并不适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二硫化钼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,二硫化钼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:将光轉化為電。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,這裡是電子本來的位置—— 一個帶正電荷的洞。加上電壓後,這些洞和電子會向不同的方向循環,從而産生一個電流淨流。

該過程還能被逆轉,即将電轉化為光。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後釋放光子。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,二硫化钼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争優勢。其原因是這種材料的結構特征,電子在其内部移動時,碰到較大的金屬原子後會在其結構内發生彈離,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,而二維材料将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、二硫化钼之後的又一重要進展,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,而且比矽烯更穩定。黑磷的半導體能隙是個直接能隙,将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小時後,我們可以看到材料表面的氣泡,然後整個設備在數日内就會失效。”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,就需要将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,中國台灣新竹“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睐,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。但這并不意味着,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,今年首個矽烯晶體管問世。兩年前,科學家曾指出,現有技術無法制造矽烯晶體管。“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,其他人則在将它們夾在一起。“與試圖選出一種材料并說這是最好的不同,或許最好的方法是将它們以某種方式結合在一起,以便它們不同的特性能被适當應用。”Kis說。這可能意味着,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内心。”Kinaret說,“但我認為,這些應用如果能到來,可能完全出乎意料。”

那些在實驗室裡看上去很好的材料,通常在現實世界裡無法發揮其功效。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”能很好地适用于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。”

這些實際問題将妨礙二維材料實現其最初的“願景”。“有許多這樣的工作,結果隻是一時狂熱。”Kis說,“但我認為如此多的材料和不同特性,将能确保産出一些結果。”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裡占有一席之地。

“當人們開始擴展範圍時,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)

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