石墨烯后又一輪超級(jí)材料創(chuàng)新高潮襲來
多個(gè)類型的平面材料堆砌在一起，可能展現(xiàn)每個(gè)的最佳性能。
物理學(xué)家習(xí)慣使用他們所能想到的最好的詞語來形容石墨烯。這絲薄的單原子厚度的碳是靈活、透明的，比鋼強(qiáng)、比銅導(dǎo)電好，雖然非常薄，但它實(shí)際上是二維材料。在2004年被分離出來后不久，石墨烯就成為全世界研究人員癡迷的對(duì)象。
不過，對(duì)Andras Kis而言并非如此。Kis表示，與石墨烯一樣不可思議的是，“我覺得必須超越碳”。因此，在2008年，當(dāng)他有機(jī)會(huì)在瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)組建自己的納米電子學(xué)研究團(tuán)隊(duì)時(shí)，Kis專注于研究一種超平材料。
這些材料有一個(gè)“笨拙”的名字：過渡金屬硫化物(TMDC)，但它們具有相當(dāng)簡(jiǎn)單的二維結(jié)構(gòu)。鉬或鎢等過渡金屬原子的單排結(jié)構(gòu)，夾在同樣薄的硫元素層之間，例如硫和硒——在元素周期表中，它們均位于氧元素的下方。Kis表示，TMDC幾乎與石墨烯同樣薄、透明和靈活。“但它們莫名奇妙地就得到一個(gè)沒有趣的名聲，我認(rèn)為它們應(yīng)該有第二次機(jī)會(huì)。”
他是對(duì)的。很快，研究人員發(fā)現(xiàn)，不同基礎(chǔ)成分搭配制成的TMDC具有大范圍的電子和光學(xué)特性。例如，與石墨烯不同，許多TMDC是半導(dǎo)體，這意味著它們有潛力被制成分子級(jí)別的數(shù)字處理器，并比硅更加節(jié)能。
在幾年中，全世界大量實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)加入了追尋這種二維材料的行列。“最初是一種，然后是兩種、三種，突然間，變成了二維材料王國。”Kis說。從2008年的零星出版，到現(xiàn)在每天6篇出版物問世，二維TMDC不斷發(fā)展。物理學(xué)家認(rèn)為可能有約500種二維材料，不只石墨烯和TMDC，還包括單層金屬氧化物和單元素材料。“如果你想要一個(gè)給定屬性的二維材料，那么你將能找到一個(gè)。”愛爾蘭都柏林三一學(xué)院物理學(xué)家Jonathan Coleman說。
“每一個(gè)都像樂高積木，如果你將它們拼在一起，或許就能做出一個(gè)全新的東西。”Kis說。
平面大冒險(xiǎn)
僅幾個(gè)原子厚度的材料，就能有非常不同的基本特性。“即便塊體材料乏善可陳，但如果你能將它變?yōu)槎S形式，它會(huì)打開新的大門。”中國復(fù)旦大學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)蹜B(tài)物理學(xué)家張遠(yuǎn)波說。
碳就是一個(gè)典型的案例。2004年，物理學(xué)家Andre Geim和Konstantin Novoselov首次報(bào)告稱，他們?cè)谟鼜厮固卮髮W(xué)的實(shí)驗(yàn)室分離出了石墨烯。他們的技術(shù)非常簡(jiǎn)單。基本步驟是，在石墨薄片上按壓一條膠帶，然后將膠帶撕下，膠帶上就殘留有一些原子厚度的薄層。通過重復(fù)該過程，他們最終得到了單原子層，于是Geim和Novoselov得以開始研究石墨烯的特性。該研究獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
物理學(xué)家很快開發(fā)出該物質(zhì)的許多應(yīng)用特性，從制作可彎曲屏幕到能源儲(chǔ)存。但不幸的是，石墨烯并不適用于數(shù)字電子學(xué)領(lǐng)域。而對(duì)于這一領(lǐng)域而言，理想材料是半導(dǎo)體。
不過，Geim和Novoselov在制作石墨烯方面獲得的成功激勵(lì)了其他研究人員。Kis等人開始探索可替代的二維材料。于是，他們瞄準(zhǔn)了TMDC。到2010年，Kis團(tuán)隊(duì)利用TMDC二硫化鉬制出了首個(gè)單層晶體管，并預(yù)測(cè)有一天這些設(shè)備能提供柔性電子。2010年的諸多研究顯示，二硫化鉬能有效吸收和發(fā)射光，使其有望用于太陽能電池和光電探測(cè)器。
法國圖盧茲物理和化學(xué)納米實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家Bernhard Urbaszek表示，單層TMDC能捕獲超過10%的攝入光子，這對(duì)于3個(gè)原子厚度的材料而言是一個(gè)不可思議的數(shù)字。這也幫助他們解決了另一個(gè)問題：將光轉(zhuǎn)化為電。當(dāng)光子撞到這個(gè)三層晶體管上時(shí)，能推動(dòng)電子穿越能隙，并允許其穿過一個(gè)外部電路。每個(gè)自由電子會(huì)在該晶體中留下一個(gè)真空區(qū)，這里是電子本來的位置—— 一個(gè)帶正電荷的洞。加上電壓后，這些洞和電子會(huì)向不同的方向循環(huán)，從而產(chǎn)生一個(gè)電流凈流。
該過程還能被逆轉(zhuǎn)，即將電轉(zhuǎn)化為光。如果電子和真空洞被從一個(gè)外部環(huán)路注入TMDC，當(dāng)它們相遇時(shí)就會(huì)再次組合然后釋放光子。這種光電相互轉(zhuǎn)化的能力使得TMDC有望被用于利用光傳輸信息、用作微小的低功率光源，甚至激光。
不過，二硫化鉬的電子遷移速率仍然不夠高，很難在擁擠的電子市場(chǎng)中具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。其原因是這種材料的結(jié)構(gòu)特征，電子在其內(nèi)部移動(dòng)時(shí)，碰到較大的金屬原子后會(huì)在其結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生彈離，從而降低遷移速度。
今年，4個(gè)不同的研究小組均發(fā)現(xiàn)，TMDC二硒化鎢能吸收和釋放單個(gè)光子。Urbaszek提到，而量子密碼和通訊領(lǐng)域正是需要這樣的發(fā)射器，當(dāng)你“按下按鈕，就能得到一個(gè)光子”�，F(xiàn)有的單光子發(fā)射器通常由塊狀半導(dǎo)體制成，而二維材料將更小且更容易與其他設(shè)備集成。
元素偏移
也有研究小組正在探索元素周期表的不同部分。張遠(yuǎn)波小組和美國普渡大學(xué)的Peide Ye研究組，在去年成功制備了基于新型二維晶體黑磷的場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件。這一新型二維半導(dǎo)體材料是繼石墨烯、二硫化鉬之后的又一重要進(jìn)展，為二維晶體材料家族增添了一位新成員。
黑磷是磷的一種同素異形體，是由單層的磷原子堆疊而成的二維晶體。與石墨烯最大的不同是，黑磷有一個(gè)半導(dǎo)體能隙，而且比硅烯更穩(wěn)定。黑磷的半導(dǎo)體能隙是個(gè)直接能隙，將增強(qiáng)其和光的直接耦合，讓黑磷成為未來光電器件(例如光電傳感器)的一個(gè)備選材料。
不過，與其他純?cè)囟S材料一樣，黑磷能與氧氣和水發(fā)生非常強(qiáng)的反應(yīng)。“在24小時(shí)后，我們可以看到材料表面的氣泡，然后整個(gè)設(shè)備在數(shù)日內(nèi)就會(huì)失效。”得州大學(xué)奧斯汀分校二維黑磷單晶專家Joon-Seok Kim說。如果要使其持續(xù)數(shù)小時(shí)，就需要將它夾在其他材料層之間。這種天然的不穩(wěn)定性，使制造設(shè)備十分困難。因此，法國艾克斯·馬賽大學(xué)物理學(xué)家Guy Le Lay預(yù)計(jì)，目前有關(guān)黑磷的80%的論文仍停留在理論階段。
而且，中國臺(tái)灣新竹“國立清華大學(xué)”材料學(xué)教授Yi-Hsien Lee也表示，二維黑磷單晶之所以獲得一些研究人員的青睞，是因?yàn)檫@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。“這是同一種方法。但這并不意味著，二維黑磷單晶前景大好。”
盡管如此，張遠(yuǎn)波和Ye在制造黑磷晶體管方面仍取得成功。而且，今年首個(gè)硅烯晶體管問世。兩年前，科學(xué)家曾指出，現(xiàn)有技術(shù)無法制造硅烯晶體管。“因此，預(yù)測(cè)未來通常十分危險(xiǎn)。”Le Lay開玩笑稱。但Le Lay認(rèn)為仍有困難難以克服。
正當(dāng)一些物理學(xué)家在尋找新二維材料，并試圖弄清其特性時(shí)，其他人則在將它們夾在一起。“與試圖選出一種材料并說這是最好的不同，或許最好的方法是將它們以某種方式結(jié)合在一起，以便它們不同的特性能被適當(dāng)應(yīng)用。”Kis說。這可能意味著，堆積不同的二維材料，制成微小、密集三維環(huán)路。
實(shí)際預(yù)測(cè)
歐盟石墨烯旗艦項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、瑞典歌德堡查爾姆斯理工大學(xué)物理學(xué)家Jari Kinaret表示，當(dāng)前圍繞二維材料的熙攘，讓人聯(lián)想到2005年石墨烯帶給人們的興奮。該項(xiàng)目也研究其他二維材料。但Kinaret警告稱，可能需要20年才能預(yù)估這些材料的潛在性能。“最初的二維材料研究主要關(guān)注其電子特性，因?yàn)檫@更接近物理學(xué)家的內(nèi)心。”Kinaret說，“但我認(rèn)為，這些應(yīng)用如果能到來，可能完全出乎意料。”
那些在實(shí)驗(yàn)室里看上去很好的材料，通常在現(xiàn)實(shí)世界里無法發(fā)揮其功效。所有二維材料面臨的一個(gè)重要問題是，如何便宜地制造統(tǒng)一、無缺陷的薄層。“粘帶方法”能很好地適用于TMDC和黑磷，但卻浪費(fèi)時(shí)間。而且，在制作塊體黑磷時(shí)，該方法成本較高。目前，沒有人能從零開始完善單層二維材料的制備，更不必說物理學(xué)家認(rèn)為有前途的分層結(jié)構(gòu)了。“需要很長(zhǎng)時(shí)間制作我們的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。”華盛頓大學(xué)物理學(xué)家徐曉東(音譯)說，“我們?nèi)绾文芗铀倩蜃詣?dòng)制備?還有很多工作需要做。”
這些實(shí)際問題將妨礙二維材料實(shí)現(xiàn)其最初的“愿景”。“有許多這樣的工作，結(jié)果只是一時(shí)狂熱。”Kis說，“但我認(rèn)為如此多的材料和不同特性，將能確保產(chǎn)出一些結(jié)果。”同時(shí)，Coleman指出，二維材料王國正在擴(kuò)張。單層砷烯也已經(jīng)在研究人員頭腦里占有一席之地。
“當(dāng)人們開始擴(kuò)展范圍時(shí)，他們會(huì)發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)良性能的新材料。”Coleman說，“最令人興奮的二維材料可能尚未制作出來。”(張章)
