二維材料的宏觀制備專題編者按

自2004 年石墨烯被首次從石墨中解理出來以來,二維材料的研究已經(jīng)走過了18 個年頭.在這近二十年的時間里,二維材料已經(jīng)發(fā)展成為一個龐大的家族;這些二維材料展現(xiàn)出豐富多樣的性質(zhì),涵蓋了凝聚態(tài)物理研究的各個主要方向.更為重要的是,二維材料研究開辟了一個材料物理研究的新范式:把一個層狀的晶體塊材減薄到單層或少層,所得到的二維材料往往會展現(xiàn)出與塊材母體完全不一樣的特性.新的物理也隨之涌現(xiàn),例如石墨烯中的狄拉克費米子物理以及單層二維過渡金屬硫族化合物中的谷自旋物理.更進(jìn)一步,這些二維材料原則上可以像魔角雙層石墨烯一樣,通過堆疊形成異質(zhì)結(jié),成為發(fā)現(xiàn)新效應(yīng)、新物理的另一個源泉.Mounet 等人的計算表明,迄今實驗上制備出的二維材料只是冰山的一角,理論上可以解理到單層的二維材料可能有上千種.二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究因此蘊含著巨大的原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)的機(jī)會.

在所有這些二維材料中,原子在層內(nèi)都是通過共價鍵和離子鍵等強(qiáng)化學(xué)鍵結(jié)合在一起,同時面外的化學(xué)鍵呈飽和狀態(tài),層與層之間僅以弱范德華力相結(jié)合.這個結(jié)構(gòu)上的共性保證了二維材料即使在單層極限下也可以保有其結(jié)構(gòu)的完整性和化學(xué)的穩(wěn)定性.“界面即器件”,二維材料本身就是一個界面,基于二維材料的半導(dǎo)體器件電場對溝道的調(diào)控更徹底,從而抑制納米尺度下半導(dǎo)體器件中的短溝道效應(yīng).在器件尺寸已經(jīng)微縮到納米量級的后摩爾時代,以過渡金屬硫族化合物、黑磷為代表的二維材料在極限厚度下表現(xiàn)出優(yōu)異的半導(dǎo)體特性,作為未來半導(dǎo)體器件溝道的候選材料受到廣泛關(guān)注.與此同時,二維材料單層極限下的化學(xué)穩(wěn)定性也使得更多樣的調(diào)控手段成為可能.比如,近年來日益受到重視的門電極離子調(diào)控可以在1014cm–2的水平調(diào)控二維材料的電荷摻雜,從而把門電極調(diào)控的概念推廣到磁性、強(qiáng)關(guān)聯(lián)乃至高溫超導(dǎo)材料.基于這些新型調(diào)控方法的二維器件將有可能發(fā)展為新的器件原型.

從二維材料到器件再到應(yīng)用,這個鏈條上不可或缺的一環(huán)是二維材料的宏觀制備——只有在宏觀尺度下實現(xiàn)高質(zhì)量二維材料的可控制備,我們以上討論的二維材料的種種優(yōu)勢才有可能轉(zhuǎn)化為實際的應(yīng)用.正因如此,二維材料的宏觀制備一直是二維材料研究的一個熱點和前沿,近年來取得了一個又一個的突破.這些突破有許多要歸功于海內(nèi)外的華人物理、材料學(xué)家.他們活躍在這個前沿,做出了突出的成績.

受《物理學(xué)報》編輯部委托,我邀請了幾位活躍在二維材料宏觀制備研究前沿的中青年學(xué)者,為中文讀者回顧總結(jié)領(lǐng)域里近年來的部分進(jìn)展.其中既包括對多種二維材料自下而上的生長研究,也包括從塊材出發(fā)自上而下的大面積解理探索.組稿期間恰逢新冠疫情肆虐,作者們在非常困難的情形之中完成稿件,如約賜稿,殊為不易.受水平及時間所限,本專題對二維材料宏觀制備領(lǐng)域的介紹難免掛一漏萬,不足之處懇請各位同仁不吝指正.