除了石墨烯 还有这些二维材料可以改变世界

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2018-05-23 20:20:56

   3D和三维一直是二十一世纪以来的热门词汇,例如3D电影,3D打印等。在这些行业中,三维不但意味着更好的视觉效果,还意味着更高的技术水平,然而对于某些领域来说,事情却不是这样。

  

  在两千多年前,哲学家就曾对物质本源的问题,产生过激烈的讨论。原子派认为物质在无限分割之后,最终会小到无法分割。所以他们把组成的物质称为原子,寓意为「不可分割」。

  

  随着时间的流逝,虽然现代依然沿用了原始的词汇「原子」,但是其不可分割的本意早已名存实亡。科学家在近百年通过利用物理的手段证明原子是可以分割的。原子的定义变成了保持化学性质的最小单位。

  

  即便原子是可以分割的,但最大的原子仍然达不到肉眼可见的程度,可以说人们目前能够看到的物质都是由原子三维堆叠而成的。如果能把原子平铺为一层,那么这种物质也就是当之无愧的二维材料。

  

  在对原子有了一定认识之后,研究人员在尝试了各种形式的材料,在理论上证明二维材料是最薄的材料,并认为这种材料不会稳定存在。所以没有人把这类物质放在心上。

  

  2004年石墨烯的发现彻底改变了人们原本的看法,以原子组成的二维材料成功的登上了历史的舞台。科学界对石墨烯的关注热情也逐渐拓展到了其他的二维材料上,越来越多的二维材料被发现并研究。

  

  本文将会带大家了解目前比较出名的二维材料,体会微观材料的魅力与前景。

  

  石墨烯

  

  石墨烯是2004年首次被分离出来的二维材料,承担了很多第一的称号。它是由碳原子组成的蜂窝状结构的二维材料,和其他类型的材料相比,展示出了众多的优点。但是最重要的一点,就是它引发了人们对二维材料研发的兴趣。
 

  
 

  石墨烯有很多让人惊讶的特点,在极低温度下,电子在石墨烯中的传输速度比硅快100倍;拥有非常出色的导热能力;可见光透过率高;强度极高,是钢铁的一百倍;原子层只允许水分子通过。这一系列特点,让石墨烯在各个领域大展拳脚。

  

  半导体厂商可以用石墨烯来覆盖整个芯片并快速构造射频晶体管,但是使用石墨烯作出逻辑电路是非常困难的。因为硅和其他半导体材料的特点之一就是具有带隙,他们的原子会束缚电子,直到电子接受到足够的能量之后才可以在材料上自由移动。而石墨烯没有带隙,无法选择开或者关的状态。但是也有办法来诱导石墨烯产生一个带隙,例如在石墨烯之上再叠一层石墨烯,或者在材料上切割一条纳米带,都可以产生带隙。但是这些改性方法都会降低电子在石墨烯中的运动速度。

  

  再加上石墨烯在超级电容器、海水过滤、透明电极等方面同样具有应用潜力,欧盟委员会宣布:在今年年初他们将会在石墨烯的研发上投入10亿欧元的资金。同时,国内对石墨烯的热度也在不停地提高。

  

  黑磷

  

  黑磷作为一种新生的二维材料,其光电和能带的特性赢得了研究人员的广泛关注。
 

  

  在用胶带剥离石墨烯的启发后,研究人员也尝试用胶带剥离单层的黑磷。而在14年,部分研究人员改进了制造方式,使用液体剥落的方法,提高了制备黑磷烯的收益率。

  

  结构上来见,黑磷和石墨烯还是有很大差异的,黑磷并不是平面蜂窝状晶格结构。

  

  由于具有带隙,黑磷在半导体领域显示出了不同于石墨烯的特性。目前研究人员已经成功地用黑磷制作出晶体管、柔性电路、光电器件,并通过与其他二维材料结合,收获了更好的应用。因而在半导体领域,黑磷的前景比石墨烯更加光明。

  

  当然,黑磷也不是完美的材料,由于黑磷会与空气中的水反应,不经处理的话,晶体管会因为黑磷的腐蚀而失效。
 

  氮化硼

  

  氮化硼的结构和石墨极为类似,因此也称为「白石墨」,而石墨烯也对人们探索氮化硼的制作方法有一定的启发。

  

  二维的氮化硼是由氮原子和硼原子交替组成的平面结构。其结构和石墨烯类似,是六角蜂窝状的平面。但是与石墨烯截然不同的是,它是一种优良的绝缘体。

  

  目前研究人员已经用氮化硼和石墨烯交替堆叠组成了复杂的电路,通过结合不同的二维材料成功地发挥出了更大的潜力。另外,氮化硼在抗氧化涂层、超疏水应用方面也有很好的前景。

  

  二硫化钼

  

  二硫化钼也是一种非常流行的二维材料,与石墨烯和氮化硼不同的是,二硫化钼拥有带隙,可以进行逻辑判断,是一种半导体材料。
 

  

  二硫化钼的带隙是自带的,但是它的带隙和硅的带隙是不一样的,二硫化钼的是「直接带隙」,而硅的带隙是间接带隙,直接带隙的发光效率比间接带隙高得多。

  

  二硫化钼仅仅是「过渡金属二硫属化物」的一种。这个家族中包含了15种不同的过渡金属和硫、硒、碲三种硫属化物。目前针对同家族的研究还非常少。

  

  但是相比石墨烯来说,二硫化钼的电子迁移速率比较低。因为这种材料结构的关系,电子在其内部移动的时候,碰到平面的金属原子后,会被其中的金属原子弹离,因而迁移速率会受到一定影响。所以更常见的是研究者把二硫化钼和石墨烯组合起来使用。

  

  由于二硫化钼自身的带隙特点,它在太阳能电池和光电领域非常有前景,有望改变感光器件的未来。

  

  硅烯和锗烯

  

  硅烯和锗烯也是具有潜力的二维材料。而芯片制造厂商也更喜欢用这种熟悉的半导体来制造芯片,这两种材料因为合成困难,所以在近几年合成出来后,才得以研究。

  

  和石墨烯不一样的是将这些原子构成二维材料的时候,材料平面会有不同程度的弯曲,而这会影响整个平面电子的一致性。但是因为它们也具有带隙,同样是一种半导体材料。

  

  这两种二维材料,尚有许多特性有待研究。

  

  未来

  

  科学家经过不断探索,发现了越来越多的二维材料,这些材料都有各自的特点——石墨烯的透光率、二硫化钼的直接带隙、氮化硼的绝缘性、黑磷烯的半导体性。这些特性能让二维材料在不同的领域发挥各自特长,然而这些材料都面临着相同的困境。

  

  把材料从实验室应用到生活中,需要漫长的时间。如何稳定的生产、如何控制好材料的良品率、如何才能生产质量相同的产品都是一个材料走向实际应用中面临的问题。

  

  不过,越来越多的实验室开始研究二维材料这个新兴的领域。每年都会有更多的二维材料被发现与研究。

  

  黑磷正是其中最具潜力的一个,研究者在短短的几年时间内,就已经开发出了黑磷的晶体管。虽然性能上还不让人满意。但毫无疑问的是,黑磷的潜力不亚于石墨烯。笔者将会在下一篇继续介绍黑磷是一种什么样的二维材料。