2004年，曼徹斯特大學(xué)Geim和Novoselov兩位科學(xué)家用膠帶剝離出了石墨烯，石墨烯的發(fā)現(xiàn)推翻了所謂的“熱力學(xué)漲落不允許二維晶體在有限溫度下自由存在”的原有認(rèn)知，震撼了整個(gè)科學(xué)界。至此，材料研究領(lǐng)域終于進(jìn)入了二維光電材料時(shí)代，其研究熱潮一直延續(xù)到十幾年后的今日仍未退散。
在這期間，其他的二維材料相繼被人們發(fā)現(xiàn)。二維材料所組成的大家族越發(fā)壯大，新發(fā)現(xiàn)的許多二維材料有著比石墨烯還要優(yōu)異的性能，二維材料由于在不同溫度下可能具有高載流子遷移率和高導(dǎo)熱率，因而有望在高精度傳感器、電子工業(yè)、氣體分離與儲(chǔ)存、催化、薄膜等諸多領(lǐng)域中有較好的應(yīng)用前景。
二維材料大家族
二維材料經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展，產(chǎn)生了許多二維材料，這些二維材料有著各種各樣的電學(xué)性質(zhì)（金屬、半金屬、半導(dǎo)體和絕緣體），也呈現(xiàn)了很多優(yōu)異的物理特性（超導(dǎo)，熱電效應(yīng)，電荷密度波等），使其在很多方面有巨大的應(yīng)用前景,如自旋電子學(xué)，光電子學(xué)，化學(xué)和生物傳感器，超級(jí)電容，太陽(yáng)能電池和鋰離子電池等。
以下是在二維材料中相對(duì)成熟的幾類熱門材料，通過(guò)它們可以較為全面認(rèn)識(shí)到當(dāng)前的二維材料發(fā)展?fàn)顩r。
石墨烯
石墨烯，開(kāi)啟了二維材料研究之路，也是目前最為成熟，工業(yè)化應(yīng)用最高的二維材料。
石墨烯具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、導(dǎo)電性高、韌度和強(qiáng)度高等突出的物理化學(xué)性質(zhì)，被譽(yù)為“新材料之王”，已經(jīng)應(yīng)用在電子、儲(chǔ)能、復(fù)合材料、航空航天等諸多領(lǐng)域。
石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域
2017年中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)布的《2017全球石墨烯產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告》顯示：預(yù)計(jì)到今年，石墨烯全球市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到1000億元。
而從全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)袌?chǎng)規(guī)模及往年復(fù)合增長(zhǎng)率來(lái)看，未來(lái)石墨烯有望達(dá)到萬(wàn)億元級(jí)產(chǎn)能規(guī)模，特別是未來(lái)5~10年，隨著石墨烯應(yīng)用市場(chǎng)的不斷拓展，石墨烯原材料與下游應(yīng)用產(chǎn)品將持續(xù)展現(xiàn)出巨大的市場(chǎng)前景，在眾多領(lǐng)域產(chǎn)生令人期待的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
石墨烯應(yīng)用市場(chǎng)預(yù)期（到2025年）
硅烯
硅烯是與石墨烯相似的化合物，但它更傾向于sp3雜化，因此，直到單層/多層硅納米管(SiNT)被合成之后，科學(xué)界才開(kāi)始相信合成硅烯的可能性。
硅與碳同屬于元素周期表的IV族元素，同樣在自然界和材料學(xué)中有著重要的位置。2007年，Guzman-Verri等人重新計(jì)算了這種類石墨烯的單層硅結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)硅也可以形成單原子層結(jié)構(gòu)，并且具備與石墨烯類似的電子結(jié)構(gòu)，他們將這種單原子層的硅結(jié)構(gòu)命名為硅烯。
硅烯的結(jié)構(gòu)模型
硅烯中存在很多與石墨烯體系相似的新奇量子效應(yīng)，并且硅烯還有很多石墨烯不具備的優(yōu)勢(shì)，例如硅烯具有可調(diào)諧的能隙、更容易谷極化、更小的熱導(dǎo)率(3-65W/mk)以及硅烯比石墨烯更易于與現(xiàn)今普遍應(yīng)用的硅基半導(dǎo)體工藝兼容。
硅烯的實(shí)驗(yàn)研究工作還只是剛剛展開(kāi)，還有大量的物理問(wèn)題需要去探索，可以期望在不久的將來(lái)，硅烯的研究發(fā)展會(huì)成為不遜色于石墨烯的研究領(lǐng)域。
鍺烯
由于科研人員已經(jīng)先后制備出石墨烯和硅烯，并探索了其蜂窩狀晶格所帶來(lái)地獨(dú)特的物理性質(zhì)。隨著科研工作的不斷深入，科研人員把視線轉(zhuǎn)向了與碳和硅同一主族的鍺元素。鍺元素隸屬于碳族，位于硅元素的下方。
Pt(111)表面鍺烯的結(jié)構(gòu)
與石墨烯和硅烯相比，鍺烯具有更大的原子序數(shù)，所以其體系中會(huì)有更強(qiáng)的自旋-軌道耦合，使鍺烯在狄拉克點(diǎn)可以打開(kāi)更大的能隙。另外，理論計(jì)算還表明摻雜的鍺烯有希望成為高溫超導(dǎo)體。
但不足之處在于鍺烯易被氧化，在空氣中不能穩(wěn)定存在，因此較難被應(yīng)用于器件。
錫烯
錫(Sn)也隸屬于碳族，位于鍺元素的下方。類石墨烯二維晶體材料-錫烯，被預(yù)測(cè)可能具有非同尋常的物理特性。
近來(lái)二維錫烯被認(rèn)為是一種實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)的潛在材料，由于時(shí)間反演對(duì)稱性，自旋過(guò)濾螺旋邊緣態(tài)伴有無(wú)耗散自旋和電流沿著邊緣傳播，這樣就使得錫烯在自旋電子學(xué)和容錯(cuò)量子計(jì)算有著重要的應(yīng)用。
Bi2Te3基底上的錫烯
2013和2014年，理論物理學(xué)家預(yù)言錫烯可能是一種可以工作在室溫條件下的二維拓?fù)浣^緣體，這種優(yōu)異的性質(zhì)使得錫烯在未來(lái)更高集成度的電子學(xué)器件應(yīng)用方面具有巨大的應(yīng)用前景。
鉿烯
鉿(Hf)是過(guò)渡金屬元素，外殼層為d電子，與傳統(tǒng)二維材料的p電子相比，含有d電子的過(guò)渡金屬元素具有更加多樣化的物理與化學(xué)性質(zhì)，并且大多數(shù)具有自旋極化的性質(zhì)。
2013年，李林飛等人發(fā)現(xiàn)了制備鉿烯二維原子晶體的方法。他們選用Ir(111)基底，利用電子束蒸發(fā)源將金屬鉿沉積到表面，通過(guò)后續(xù)退火理得到了規(guī)則有序結(jié)構(gòu)。結(jié)合STM和LEED表征以及DFT計(jì)算，他們確認(rèn)了單層平面二維蜂窩狀的鉿烯結(jié)構(gòu)。
Ir(111)基底上的鉿烯
這類由元素周期表中d區(qū)元素構(gòu)成的二維晶體材料，其幾何和鍵結(jié)構(gòu)與石墨烯類似，被稱之為d電子烯或者金屬烯-鉿烯。該工作向?qū)崿F(xiàn)非碳元素的類石墨烯二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)邁出了重要的一步，鉿烯的發(fā)現(xiàn)為探索二維材料中新奇的量子效應(yīng)和電子行為提供了全新的平臺(tái)。
硼稀
硼是元素周期表中的第5位元素，存在類似碳的sp2雜化軌道。硼是二維材料俱樂(lè)部的后來(lái)者，部分原因是因?yàn)榕鸨举|(zhì)上是一種3D元素，很難得到平面結(jié)構(gòu)。
理論預(yù)言平面結(jié)構(gòu)的二維硼，也稱硼烯，可能會(huì)出現(xiàn)明顯的超導(dǎo)特性。另外，硼烯也有很好的抗氧化能力，有可能在大氣環(huán)境下存在，這有助于克服二維材料易被氧化而不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，在納米器件方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。硼烯較短的鍵長(zhǎng)也會(huì)使其具有較好的機(jī)械性能。
硼烯蜂窩結(jié)構(gòu)示意圖
然而，對(duì)于硼烯的研究還只是剛剛開(kāi)始，隨著對(duì)其研究的逐漸深入，硼烯所具有的新奇的原子結(jié)構(gòu)和奇特的物理性質(zhì)將進(jìn)一步被人們所了解，為將來(lái)基于硼烯的應(yīng)用提供了可能。
黑磷烯
新興的二維半導(dǎo)體黑磷（BP）是白磷和紅磷之外的磷單質(zhì)的另一種同素異形體，黑磷是磷的同素異形體中最穩(wěn)定的一種，具有類似石墨的片狀結(jié)構(gòu)，單原子層厚度的黑磷又稱為黑磷烯。
BP具有了類似于石墨烯的高載流子遷移率特性又具備帶隙變化可調(diào)的特征，而且具有各向異性的光學(xué)性質(zhì)，高開(kāi)關(guān)比高導(dǎo)熱率等優(yōu)良特性，因此應(yīng)用前景廣闊，是一種極具潛力的光電材料。 同時(shí)，將黃磷產(chǎn)品經(jīng)過(guò)技術(shù)手段轉(zhuǎn)化成黑磷的過(guò)程，要比獲取石墨烯的成本和難度低得多。
作為一種新的二維材料，諸多的優(yōu)異特性，被稱為比肩石墨烯的'夢(mèng)幻材料'。黑磷烯的應(yīng)用不局限于光電領(lǐng)域，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也具有優(yōu)勢(shì)如腫瘤治療。
此外，作為電池負(fù)極材料能夠有效提高能量密度，但是隨著研究的進(jìn)行，人們發(fā)現(xiàn)BP在空氣中很不穩(wěn)定，容易被氧化，導(dǎo)致其電子器件性能降低。所以在接下來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，人們對(duì)影響其器件性能的參數(shù)做了很多探索。最終發(fā)現(xiàn)，目前BP在電子器件方面的應(yīng)用瓶頸主要是它在空氣中容易被氧化，所以還需要我們進(jìn)一步尋找更為合適的保護(hù)材料來(lái)提高它的電學(xué)性能。
黑磷烯高分辨透射電鏡圖
小結(jié)
目前，“超越石墨烯”的二維納米材料正在以迅猛的速度發(fā)展，它們可通過(guò)各種物理化學(xué)手段進(jìn)行修飾，可以獲得與石墨烯或相似或不同的性能。這些修飾后的材料擁有高比表面積、出色的光學(xué)和電學(xué)特性和多功能性，具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。
新的二維納米材料的有趣特性使它們有望成為未來(lái)工業(yè)中的各種功能材料，一旦技術(shù)上產(chǎn)生突破，新的二維材料將爆發(fā)出比石墨烯更為廣闊的市場(chǎng)。相應(yīng)企業(yè)應(yīng)對(duì)相應(yīng)技術(shù)保持著一定的關(guān)注與敏感性，以期在不久的將來(lái)?yè)屨枷葯C(jī)，讓技術(shù)在工業(yè)化中創(chuàng)造更大的價(jià)值，最終造福于我們的社會(huì)。
文章參考：
常泰維等.超越石墨烯：二維納米材料
王嘉瑤等.類石墨烯二維材料及光電器件應(yīng)用研究進(jìn)展
盧建臣.幾種新型二維原子晶體材料的構(gòu)筑及其結(jié)構(gòu)特性
孫杰.幾類二維材料電子結(jié)構(gòu)及輸運(yùn)特性的第一性原理研究
陳嵐.硅烯：一種新型的二維狄拉克電子材料
程鵬.一種新型二維材料_硼烯
整理和配圖：陳麗