二维材料

二维材料是晶体固体，厚度仅为几个原子，从层状母体晶体中分离出来。其限制在一个平面内的特性赋予了其块体形式所不具备的电子、光学和化学性质。

Definition

二维材料是一种晶体固体的薄片，厚度为一层或几层原子，源自层状母体。在层状母体中，强的面内键合与弱的层间作用力共存，因此单个层可以被分离并作为一种独特的、受限的材料存在。

Scope

本主题涵盖了原子级薄片（如作为原型的石墨烯、半导体过渡金属二硫化物（如二硫化钼）、六方氮化硼以及MXenes等新兴家族）的化学性质。它探讨了如何获得这些薄片——通过层状晶体的机械剥离和液相剥离以及自下而上的生长——它们的表面和边缘化学，以及由于限制在二维空间而产生的性质变化，例如变薄时直接带隙的出现。

Core questions

• 如何从层状母体晶体中分离出单原子层？
• 当层状材料被减薄至单层时，其性质如何变化？
• 二维薄片的表面和边缘化学是什么？
• 除了石墨烯，还存在哪些二维材料家族？

Key concepts

• 石墨烯
• 过渡金属二硫化物
• 范德华层状结构
• 机械剥离和液相剥离
• 单层带隙交叉
• 边缘和表面功能化

Key theories

层状晶体的剥离

层状固体在面内通过强键结合，但在层间通过弱范德华力结合，因此单个薄片可以通过机械剥离或在液体中通过嵌入和超声处理分离，从而得到二维薄片。

维度限制和涌现性质

将层状晶体减薄至单层会将电子限制在一个平面内，从而产生块体材料所不具备的性质——例如石墨烯的无质量载流子输运，以及过渡金属二硫化物减薄至单层时出现的间接带隙到直接带隙的转变。

Mechanisms

在液相剥离中，溶剂或嵌入分子渗透到层之间，减弱层间吸引力，从而通过搅拌分离出单个薄片；化学功能化优先发生在反应性边缘和缺陷位置，这些位置的悬空键最易接近。

Clinical relevance

二维材料因其高迁移率和柔性电子器件、透明导体、具有极高表面敏感度的传感器、用于析氢的电催化剂以及选择性膜而被研究，材料的选择取决于所需的是导体、半导体还是绝缘体。

History

2004年，诺沃肖洛夫（Novoselov）和盖姆（Geim）使用胶带剥离石墨，成功分离出单层石墨烯，这表明稳定的原子级薄晶体可以存在，并由此开启了该领域。随后的工作将剥离技术扩展到许多其他层状化合物，并开发了可扩展的液相路线，使二维材料成为一个广泛的家族。

Key figures

• Andre Geim
• Konstantin Novoselov
• Jonathan Coleman

Seminal works

• novoselov2004
• geim2007
• nicolosi2013

Frequently asked questions

石墨烯与石墨有何不同？

石墨是许多石墨烯层通过弱范德华力堆叠在一起的结构。单个分离的石墨烯层将其电子限制在二维空间中，赋予了它独特的高载流子迁移率等性质，这是三维堆叠结构所不具备的。

为什么二硫化钼作为单层时发光效率更高？

在块体材料中，二硫化钼具有间接带隙，这使得发光效率低下。当减薄至单层时，限制效应改变了能带结构，使带隙变为直接带隙，从而实现高效的光吸收和发射。