《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》編輯部

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

本期人物訪談，我們對(duì)話的是二維材料及器件特刊客座編輯、浙江大學(xué)徐楊教授。

在訪談中，徐老師給我們介紹了二維材料的發(fā)展歷程、獨(dú)特性質(zhì)、潛在應(yīng)用、發(fā)展趨勢(shì)。并且給有志于從事二維材料研究的青年學(xué)生提出了非常中肯的建議，希望能對(duì)大家有所啟示。

問題1：二維材料有無明確的科學(xué)定義？

回答：關(guān)于二維材料，沒有絕對(duì)明確的科學(xué)定義，但科學(xué)界普遍認(rèn)同的概念是指電子僅可在兩個(gè)維度，大概一到幾十納米平面內(nèi)可自由運(yùn)動(dòng)的材料。

在石墨烯發(fā)現(xiàn)之前，二維納米結(jié)構(gòu)主要是IIIV族的量子阱。通過分子束外延(MBE)技術(shù)選擇晶格匹配的兩種化合物半導(dǎo)體材料，控制外延層的厚度在納米量級(jí)獲得二維電子勢(shì)阱。

近年來提出的二維材料的概念，是從2004年曼切斯特大學(xué)Geim小組成功分離出單原子層0.34 nm的石墨烯而出現(xiàn)的。大多數(shù)科學(xué)家對(duì)二維材料的厚度并沒有嚴(yán)格的規(guī)定，主要還是以和三維體材料在性能上的不同加以區(qū)分。

問題2：二維材料是如何被發(fā)現(xiàn)的？

回答：最開始理論物理認(rèn)為單層石墨(石墨烯)是不可能在現(xiàn)實(shí)中獨(dú)立存在的。于是2004曼切斯特大學(xué)Geim小組想將石墨磨至只剩10-100層厚，然后研究它的性質(zhì)。但當(dāng)時(shí)只磨出大約1000層厚的石墨細(xì)片，距離目標(biāo)差一點(diǎn)。于是他們利用透明膠帶將它的上層剝下，薄片便會(huì)剝黏在膠帶上。重復(fù)數(shù)次相同的過程，膠帶上就黏著越來越薄的石墨薄片。2004年10月，Geim在Science雜志發(fā)表了一篇題為Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films的論文，宣布制備出石墨烯片，之后二維材料被廣泛關(guān)注，持續(xù)至今。

問題3：科學(xué)家為何對(duì)二維材料產(chǎn)生了濃厚的興趣？

回答：二維材料因其特殊的物理特性而引起廣泛的關(guān)注，不同應(yīng)用中的關(guān)鍵特性都被很大程度地提升。二維材料獨(dú)特的光電特性或許會(huì)在高效，寬帶、柔性、透明、低功耗等方面的新一代的器件發(fā)揮獨(dú)特作用，因此促使了大量相關(guān)的研究。

此外從絕緣體氮化硼，半導(dǎo)體過渡金屬硫化物，到金屬特性的石墨烯，它們各種堆疊和排列的組合，展示了二維材料特性的多樣性，或許會(huì)帶來科學(xué)上的重要發(fā)現(xiàn)。

問題4：二維材料發(fā)展歷程中，有哪些里程碑式的發(fā)現(xiàn)？

回答：里程碑式的物理發(fā)現(xiàn)，以石墨烯為例主要體現(xiàn)在：(1)在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在，但是單層石墨烯能夠在實(shí)驗(yàn)中被制備出來，所以它的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚體物理學(xué)學(xué)術(shù)界。(2)石墨烯中電子和空穴載流子的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)在室溫下就通過電場(chǎng)作用改變化學(xué)勢(shì)觀察到。(3)石墨烯中的載流子在碰到雜質(zhì)時(shí)一般不會(huì)產(chǎn)生背散射，石墨烯具有局域超強(qiáng)導(dǎo)電性以及很高的載流子遷移率。

問題5：您預(yù)計(jì)未來會(huì)發(fā)現(xiàn)哪些新的二維材料？

回答：Drexel大學(xué)的Yury Gogotsi教授說過：“一個(gè)50歲的科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室玩新玩具和一個(gè)5歲小孩在家里玩新玩具的樂趣沒什么不一樣，二維材料就是我的新玩具！”在石墨烯之外，目前在二維材料發(fā)展了幾大體系，比如：TMDs、MXenes、2D Organic materials、BP、硅烯、鍺烯、Nitrides和二維鈣鈦礦等等。未來還有可能制備出更多新的二維材料。

問題6：二維材料有哪些應(yīng)用實(shí)例？在哪些領(lǐng)域有開拓性的應(yīng)用？

回答：二維材料是當(dāng)下的前沿領(lǐng)域之一，涵蓋了印刷電子、柔性電子、超級(jí)電容、太陽能電池、量子點(diǎn)、傳感器、光電探測(cè)器、半導(dǎo)體制造等，具有優(yōu)異的機(jī)械、熱學(xué)、光學(xué)特性，是這些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)顛覆式創(chuàng)新的基礎(chǔ)。

問題7：目前二維材料發(fā)展的最大的挑戰(zhàn)有哪些？

回答：雖然二維材料的性質(zhì)探索、制備表征和器件應(yīng)用都已有較好的發(fā)展，但距離其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還較遠(yuǎn)。在大面積高質(zhì)量材料及其特定復(fù)合結(jié)構(gòu)的可控制備、低能耗高集成度器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、大規(guī)模材料器件印刷技術(shù)，與傳統(tǒng)材料產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)合等方面還有巨大的挑戰(zhàn)。此外，二維材料家族中仍有不少材料尚未被制得，其物理、化學(xué)性質(zhì)有待揭示。

問題8：二維材料發(fā)展和應(yīng)用對(duì)普通人的生活會(huì)有哪些影響？

回答：如今，二維材料研究在諸如：自旋電子、印刷電子、柔性電子、微電子、存儲(chǔ)器、處理器、超透鏡、太赫茲、超級(jí)電容、太陽能電池、防偽標(biāo)簽、量子點(diǎn)、傳感器、探測(cè)器、半導(dǎo)體制造、NFC、醫(yī)療等領(lǐng)域開展了廣泛的基礎(chǔ)研究。但目前市場(chǎng)上，還沒有看到大規(guī)模相關(guān)的日常生活產(chǎn)品。二維材料與器件的應(yīng)用還有很多挑戰(zhàn)和困難，希望能在不久的將來“飛入平常百姓家”。

問題9：您對(duì)準(zhǔn)備從事二維材料研究的年輕學(xué)生有何建議？

回答：Geim在發(fā)現(xiàn)石墨烯獲得諾貝爾獎(jiǎng)之前，于1997年使用磁場(chǎng)讓一只青蛙漂浮升空，登上報(bào)紙頭版頭條，于2000年獲得搞笑諾貝爾獎(jiǎng)。他曾和他的倉鼠寵物共同發(fā)表一篇論文《探測(cè)地球自轉(zhuǎn)的反磁性懸浮回轉(zhuǎn)儀》。2007年，他的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出一種仿照壁虎黏性腳墊的微制造黏著劑。Geim擅長(zhǎng)尋找古怪但有重要性的研究題目，所以未來準(zhǔn)備從事二維材料研究的年輕學(xué)生應(yīng)該學(xué)習(xí)Geim的這種打破常規(guī)的思維方式，敢于探索關(guān)鍵科學(xué)問題的精神。

問題10：您可否預(yù)測(cè)一下二維材料未來的發(fā)展趨勢(shì)？

回答：未來二維材料可在調(diào)控催化和電學(xué)性能、光電器件性能的提升、可穿戴智能器件、柔性電子、儲(chǔ)能器件等方面有更多的提升空間。對(duì)二維材料的工藝流程，諸如互連接觸、摻雜、柵極加工、圖形化及其刻蝕、系統(tǒng)集成等方面的問題都需要解決。這些將實(shí)驗(yàn)室的概念器件推向大規(guī)模生產(chǎn)制造，還有很多重大困難需要突破，才有可能使得二維材料進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。