追趕石墨烯……

時間：2016-02-20作者：南京牧科納米科技有限公司瀏覽：52

	
單層石墨烯（上）激發(fā)了科學(xué)家探索半導(dǎo)體單晶材料——如二維黑磷單晶（中）和二化鉬（下）——的熱情。圖片來源： C. BICKEL


	



	通常情況下，膠帶不會被看作是一種具有科學(xué)突破性的進展。但是當(dāng)英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖羅夫（Konstantin Novoselov）（兩人在2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎）2004年與同事在《科學(xué)》雜志發(fā)表了他們的研究成果——即用透明膠帶從一塊石墨烯上剝落碳原子的單原子薄片，這一研究緩緩拉開了材料學(xué)革命的序幕。


	


	安德烈·蓋姆（左）和康斯坦丁·諾沃肖羅夫（右），（編者配圖，圖片來源：google）


	自上述曼徹斯特研究團隊發(fā)表其研究成果的11年來，相關(guān)領(lǐng)域的研究成果呈指數(shù)增長，去年，**研究人員發(fā)表的關(guān)于石墨烯的研究成果**過1.5萬項。這種現(xiàn)象很合乎情理：石墨烯是迄今為止制作的較輕材料，它的強度是鋼的100倍，比銅的導(dǎo)電性、柔韌性較好，而且很大程度上是透明的。研究人員設(shè)想了未來以石墨烯為基礎(chǔ)建造的每樣產(chǎn)品，如從下一代計算機芯片和柔性顯示器到蓄電池和燃料電池。


	然而，石墨烯可能不會通過其自身作為一種理想材料來實現(xiàn)未來的巨大影響，而是通過它衍生的產(chǎn)物。盡管石墨烯有著許多令人眼花繚亂的優(yōu)點，但它也有缺點，尤其是不能充當(dāng)半導(dǎo)體——這是微電子的基石。現(xiàn)在，化學(xué)家和材料學(xué)家正在努力越過石墨烯，尋找其他的材料。他們正在合成其他兩種兼具柔韌性和透明度，而且擁有石墨烯無法企及的電子特性的二維片狀材料，他們已經(jīng)把其中一些轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆漭p量性和柔韌性的快速電子和光學(xué)設(shè)備，他們希望，這些材料可以作為未來產(chǎn)業(yè)的支柱。


	


	石墨烯，打開二維材料新視野


	從某種意義上說，二維材料并不是全新的技術(shù)。研究人員自上世紀(jì)60年代就利用分子數(shù)外延（MBE）機器開發(fā)出原子形態(tài)的薄片材料。但是MBE機器通常被用于儲存如硅和等材料——這些晶體材料的原子結(jié)構(gòu)通常傾向于形成三維結(jié)構(gòu)。從這個層面看，由MBE機器制作的原子層就像一片奶酪，是三維材料的二維版本。


	石墨烯有所不同，它較像一本書中的紙頁，中國閩臺新竹“國立清華大學(xué)”材料學(xué)教授Yi-Hsien Lee說。讓科學(xué)家大吃一驚的是，當(dāng)他們近距離研究石墨烯時，卻發(fā)現(xiàn)塊狀石墨烯中并不存在導(dǎo)電性和光學(xué)特征。“較大的教訓(xùn)是石墨烯并沒有那么不同?！敝袊虾?fù)旦大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)家張遠(yuǎn)波說，盡管如此，研究人員表示，“石墨烯把二維材料帶到了聚光燈下。”


	在談及高科技設(shè)備時，石墨烯的光環(huán)黯淡了一些。電子時代的大多數(shù)被認(rèn)為有**的材料都是半導(dǎo)體，而石墨烯較像一個金屬導(dǎo)體?！笆┐_實是一種非常寶貴的材料?！?美國密歇根州立大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)家David Tomanek說，“但它卻和電子行業(yè)不搭邊?！?


	然而，石墨烯打開了科學(xué)家的視野，使他們把目光聚焦于平面電子的新世界。他們看到了與石墨烯類似，但卻擁有新光電特征的材料，他們設(shè)計了單層硅（硅烯）、單層鍺（鍺烯）、單層錫（錫烯）；他們創(chuàng)造了用氮化硼制作的絕緣體，該材料有著像石墨烯一樣的雞籠式晶格結(jié)構(gòu)；他們制作了可用于控制特定化學(xué)反應(yīng)的高效催化劑單層金屬氧化物；他們甚至還在二維薄片中圈入水分子，盡管這樣做有何用途目前仍不清楚。


	但就目前來看，大多數(shù)圍繞平面材料的研究工作聚焦于兩種材料：一種是叫作二化鉬（MoS2）的化合物；另一種是名為二維黑磷單晶（或稱黑鱗）的單層磷原子。兩種材料都有著吸引人的電子特性，而它們的研究者之間的競爭也較為激烈。


	


	二化鉬，光學(xué)設(shè)備優(yōu)選材料


	在兩種材料中，二化鉬研究率先起步。二化鉬于2008年合成，是叫作過渡金屬二化物材料（TMDs）大家族的成員之一。這個顯得有點“花哨”的名字代表了它們的結(jié)構(gòu)：一個過渡金屬原子（即鉬原子）和一對包括元素、元素在內(nèi)的來自元素周期表*16列的原子（該元素家族以氧族元素著稱）。


	讓電子制造者驚喜的是，所有TMDs均是半導(dǎo)體。它們和石墨烯的薄度近乎相同（在二化鉬中，兩層原子把一層鉬原子像“三明治”那樣夾在中間），但是它們卻有其他優(yōu)點。就二化鉬而言，優(yōu)點之一是電子在平面薄片中的運行速度，即電子遷移率。二化鉬的電子遷移速率大約是100cm2/vs（即每平方厘米每伏秒通過100個電子），這遠(yuǎn)**晶體硅的電子遷移速率1400 cm2/vs ，但是比非晶硅和其他**薄半導(dǎo)體的遷移速度較好，科學(xué)家正在研究這些材料，使其用于未來電子產(chǎn)品，如柔性顯示屏和其他可以靈活伸展的電子產(chǎn)品。


	


	Kis團隊制備的二化鉬晶體管，（編者配圖，來源：Nature Nanotechnology）


	研究表明，二化鉬還較易制作，即便是制作大片的二維材料。這讓工程師能以非?？斓乃俣葯z測它們在電子產(chǎn)品中的性能。例如，2011年，由瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Andras Kis帶領(lǐng)的研究團隊在《自然—納米技術(shù)》發(fā)表文章稱，他們用僅有0.65納米厚的二化鉬單層薄片制作出首批晶體管。結(jié)果證明，那些產(chǎn)品以及隨后的產(chǎn)品比技術(shù)較**的以硅為基礎(chǔ)的同類產(chǎn)品具有其他*特屬性。


	除此之外，二化鉬還有其他令人向往的特性，即直接帶隙，這一特性使該材料把電子轉(zhuǎn)變成光子，反之亦然。這個特性也讓二化鉬成為光學(xué)設(shè)備中采用的優(yōu)質(zhì)候選對象，這些設(shè)備諸如光**器、激光、光電探測器，甚至還包括太陽能電池。一些科學(xué)家表示，這種材料還具備儲量豐富、價格低廉、無毒性等特點，因此Yi-Hsien Lee認(rèn)為：“它的前途一片光明。”


	然而，Tomanek則認(rèn)為，二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(yōu)勢。其原因是這種材料的結(jié)構(gòu)特征，電子在其內(nèi)部移動時，碰到較大的金屬原子后會在其結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生彈離，從而降低遷移速度。


	但也有科學(xué)家表示，這種“絆腳石”將是短暫性的。研究人員正在試圖繞過這些障礙——通過變得略厚一些的多層二化鉬薄片，從而給壓縮電子提供選擇路徑使其繞過路障?！皩脮r，二化鉬的遷移性問題將被解決。”Yi-Hsien Lee說。


	


	黑鱗，電子設(shè)備的材料新寵


	二化鉬的競爭對手——二維黑磷單晶（又稱黑鱗）似乎讓科學(xué)家較為興奮。二維黑磷單晶是純磷可以形成的三種不同的晶體結(jié)構(gòu)（或同素異形體）之一。其他兩種材料分別是用于制造煙花的和用于制造火柴頭的。


	二維黑磷單晶由位于兩個位面的波浪形磷原子組成，去年剛剛合成。但是其屬性已經(jīng)使它成為材料學(xué)界的寵兒，其電子轉(zhuǎn)移速率為600 cm2/vs，一些研究人員希望進一步提高這一速率；同時，其頻間帶隙（讓電流通過該物質(zhì)所需要的電伏）是可調(diào)諧的，即電子工程師可以通過簡單的改變二維黑磷單晶的疊層調(diào)整帶隙，這一特性有利于根據(jù)具體要求設(shè)計出期望的帶隙?！八羞@些屬性都讓二維黑磷單晶成為一種**級材料?！盩omanek 說。


	研究人員正在以較快的速度推進二維黑磷單晶的產(chǎn)品化。去年3月2日，張遠(yuǎn)波和復(fù)旦大學(xué)的其他同事在線發(fā)表于《自然—納米技術(shù)》的報告稱，他們制作出了基于二維黑磷單晶的晶體三極管——這一產(chǎn)品在計算機邏輯電路中發(fā)揮著“心臟”作用。兩周以后，Tomanek和同事也在美國化學(xué)學(xué)會《納米》期刊上發(fā)表了他們利用二維黑磷單晶制作出的晶體管的報告。


	


	張遠(yuǎn)波文章中黑鱗的結(jié)構(gòu)和能帶示意圖（編者配圖，來源：Nature Nanotechnology）


	然而，不幸的是，二維黑磷單晶在空氣中不穩(wěn)定?！霸?4小時后，我們可以看到材料表面的氣泡，然后整個設(shè)備在數(shù)日內(nèi)就會失效?！钡弥荽髮W(xué)奧斯汀分校二維黑磷單晶*Joon-Seok Kim說。*表示，其中的罪魁禍?zhǔn)资撬魵猓鼤土装l(fā)生反應(yīng)，把磷轉(zhuǎn)化為并導(dǎo)致材料腐蝕。盡管如此，Kim的研究團隊和其他科研人員依然在設(shè)法解決這一問題。例如，Kim在今年3月份美國物理學(xué)會的一次報告中表示，他和同事已經(jīng)可以讓基于二維黑磷單晶的晶體管持續(xù)工作3個月——通過把它們封裝在氧化鋁和聚的隔層中。


	然而，Yi-Hsien Lee卻認(rèn)為這種方法并不能保證該材料的長期穩(wěn)定性。“你可以在產(chǎn)品上加一層保護層，但這僅僅是減緩了老化速率?！彼麪幷撜f，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?！斑@是同一種方法?！盰i-Hsien Lee說，“但這并不意味著，二維黑磷單晶前景大好?！?


	較終，兩種材料或許都有很大的發(fā)展空間?！拔覀儾艅倓?cè)腴T?！狈鹆_里達(dá)州立大學(xué)物理學(xué)家Luis Balicas說。他表示，隨著時間的發(fā)展，工程師將利用二化鉬與光的強相互作用制作太陽能電池、光**器和其他光學(xué)設(shè)備；同時增強二維黑磷單晶的高電子遷移率，并用其制作電子設(shè)備。（紅楓）


	


	來源：《中國科學(xué)報》 


	


南京牧科納米科技有限公司專注于石墨烯,類石墨烯,二維單晶,黑磷,氮化硼,化鉬等

• 詞條

  詞條說明

• 牧科納米協(xié)同荷蘭HQ graphene和美國2D semiconductor為中國區(qū)科研服務(wù)

  近日，南京牧科納米MKnano與荷蘭HQ graphene 和?美國2D?Semiconductors公司正式確立長期的合作關(guān)系，雙方將利用各自優(yōu)勢，進行全面的市場合作，為中國區(qū)科研提供較為優(yōu)質(zhì)的服務(wù)和高質(zhì)量產(chǎn)品。牧科納米成為荷蘭HQ graphene 和?美國2D?Semiconductors的中國區(qū)總代理。 ???&nbs

• 石墨烯及二維材料的解理**重大突破－－壁虎爪子的啟示

  石墨烯自從2004年被報道以來，得到了廣泛和深入的研究，以其優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)，光學(xué)和電學(xué)等性質(zhì)，石墨烯的發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們對二維材料探索的熱情。眾所周知，Geim組**次發(fā)現(xiàn)石墨烯是通過一種簡單的方法，用膠帶將機械解理的石墨轉(zhuǎn)移到二氧化硅基底上。作為二維材料研究的**，A. Geim和 K.S NoVoselov也因此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎。這種簡單有效的方法在近十多年來被廣泛應(yīng)用到其他二維材料

• 科學(xué)家利用摻硼石墨烯制成**高靈敏度氣體傳感器

  一個**聯(lián)合研究小組宣布，通過在石墨烯中加入硼原子的方式，他們開發(fā)出一種靈敏度較高的氣體傳感器。該技術(shù)在靈敏度上，比目前較**的氣體傳感器高6個數(shù)量級。未來這種傳感器有望在科學(xué)實驗和工業(yè)中獲得廣泛的應(yīng)用，無論是有毒有害氣體、**標(biāo)排放的汽車尾氣，還是大氣污染中的氮氧化合物都會在它面**一顯出原形。 一個**聯(lián)合研究小組宣布，通過在石墨烯中加入硼原子的方式，他們開發(fā)出一種靈敏度較高的氣體傳感器。該裝置

• 二維**導(dǎo)材料上觀察到磁激發(fā)態(tài)或為制造**計算機開辟新途徑

  二維**導(dǎo)材料上的磁場“納米星星” 法國和俄羅斯科學(xué)家日前在二維**導(dǎo)材料上發(fā)現(xiàn)一種特殊的磁場擾動，就像一個個微小的振蕩星。這些激發(fā)態(tài)由摻入**導(dǎo)材料的磁性原子產(chǎn)生，這意味著“于淥—芝巴—魯西諾夫”狀態(tài)(YSR態(tài))鏈不只是理論，在實驗中也可以觀察到。研究人員稱，這一成果或為制造**計算機開辟新途徑。 YSR態(tài)由中國物理學(xué)家于淥和日本、蘇聯(lián)科學(xué)家在上世紀(jì)60年代分別提出。他們預(yù)測，摻入**導(dǎo)材料中的磁性原