關於二維材料目前有哪些前沿領域以及有待探討的方向？

01-04

ACS Nano 上最新的一篇綜述，可以看看：

Recent Advances in Two-Dimensional Materials beyond Graphene

2015-12-25

自 2004 年石墨烯被發現以來，探尋其他新型二維晶體材料一直是二維材料研究領域的前沿。正如石墨烯一樣，大尺寸高質量的其他二維晶體不僅對於探索二維極限下新的物理現象和性能非常重要，而且在電子、光電子等領域具有諸多新奇的應用。近年來，除石墨烯外，二維六方氮化硼、過渡族金屬硫化物、氧化物、黑磷等二維材料也被製備出來，極大地拓展了二維材料的性能和應用。過渡族金屬碳化物是一類龐大的材料家族，它結合了陶瓷和金屬的特性，一方面具有很高的強度和硬度，以及高熔點、高溫下優異的穩定性和抗腐蝕性，良好的抗熱震性和低的化學反應活性；另一方面，它們具有優異的催化活性，在諸多化學反應中可與常用的貴金屬催化劑相媲美。此外，很多過渡族金屬碳化物，如 Mo2C、W2C、WC、TaC 及 NbC 等，都具有超導特性。因此，過渡族金屬碳化物在電子、催化、儲能、極端條件下使用的工具等領域有著廣泛的應用。

另一支學者也研究了強關聯二為材料，但對於強關聯二維材料的研究還遠沒有引起應有的重視。強關聯材料的性質比半導體材料更複雜豐富，不同於半導體材料內部電子可以被認為是獨立運動，相互不產生影響，強關聯材料內部電子之間存在很強的相互作用。這種電子或者電子與聲子之間的強相互作用，導致了許多新奇的物理現象，如超導、金屬－絕緣體轉變、量子相變等等。強關聯電子體系一直是材料學、物理學等領域的一個研究熱點和難點。

這點我就要評論一番了。學術就像是「探險隊」，為了發表文獻盡找些前沿的題目，先不談可不可以商業運轉，反正就是把新材料證實出來；商業就是「工程隊」，重點是要活著，所以要找到可以賺錢的材料，除了考慮量產成本、質量，還要考慮渠道與競爭者的距離。這就是「石墨烯」遇到的情況，我們著眼於根據石墨烯的優異特性發展成各類應用技術，好落實到每個產品上，而學者在這個項目已經翻不出名堂了，只有啟帆再向前探索未知的材料科學吧。

寫個不靠譜的回答，僅供參考。手動打字，有些數據記得不是很清楚，歡迎指正。二維材料大家族，我們所做的主要分為兩個方面:製備新的二維材料;二維材料的性能改進。

對於二維材料，大家期望頗高。打開新世界，我們所需要的太多了。零帶隙的石墨烯，半導體磷烯、二硫化鉬，寬頻隙絕緣體hBN。注意以上帶隙是遞增的。據預言二維材料種類達數千種。原諒我這裡沒有引用文獻，沒有給出具體數值。因為這是不靠譜回答，請原諒我吧，阿門！為什麼我們需要這麼多種二維材料呢？因為在實際中絕大部分是很難被製備出來的，或者成本極高等等。目前實驗上石墨烯(氧化還原石墨烯)、二硫化鉬(過渡金屬硫族化合物)、磷烯、六方氮化硼等幾種二維材料是相對容易被製備出來的，而且它們性質各異而突出，並互補。當然，硼烯、砷烯、InSe等也是很好的備用選擇和補充，如果其穩定性、各種性能及製備能得到提升或更簡便，也許可以扶正，算是潛力股吧。當然，主流的二維材料也有缺點，例如二硫化鉬載流子遷移率在實際中不夠高，容易被帶電粒子影響性能。磷烯很不穩定。其晶體管使用壽命不會超過一個月。另外，曾經的完美材料石墨烯，沒有帶隙是其致命的缺點，太難打開了，特別是一個不算小的帶隙。

請繼續相信構建新世界的大廈，我們依舊貪婪。從開始的輸運性質，用於電子器件、自旋電子器件和電極材料，到後來的磁性材料，光電器件，光催化劑，鋰電池、太陽能電池，超級電容器等等。我們發現與傳統的體材料相比，二維材料可應用的領域太多了。甚至可以拿來對水進行殺菌消毒(一篇nature nanotechnology)。只要你敢想，依舊有很多別的可能。

此外，為了得到最好的效果，根據需求，可以對二維材料的某些性能進行改進。例如納米條帶、摻雜、官能團吸附、邊界修飾、線性缺陷、電磁場、複合異質結。當然，目前比較先進的技術是范德瓦爾斯(vdW)異質結。因為異質結選擇多，能得到各種各樣的性質。

當然，這些大部分工作其實有些超前了。二維材料的工藝製備才是核心。什麼時候石墨烯可以不再局限於cm級別呢，什麼時候可以低成本量產這些二維材料呢？

感覺有些亂，講究著看吧，手動打字不容易，麻煩點個贊吧。有些數據不嚴謹，如果比較離譜，麻煩指正！

已經過去這麼久了我來更新一下這個領域的最新發展情況。現在焦點已經從單一的二維材料轉向了由二維材料組成的heterostructure. 因為單一的二維材料，ie, graphene, WS2, MoS2, WSe2, etc, 已經被研究的差不多了，該測的性能也都測的差不多了，該做的device也差不多要窮盡了。但是2D material heterostructure 的領域還有很多可能性沒有嘗試，也還有很多沒有被挖掘的特殊性能。

如果對這個領域發展感興趣，並且想深入了解一下，建議讀一下2015 年的一篇review paper, Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems. DOI: 10.1039/c4nr01600a.

其實雖然二維材料自從石墨烯之後，發展日新月異。但是大多數的研究還是把傳統三維材料的理論統統拿來檢驗一遍，一次看是否檢驗看是否有新的東西可以震撼學界，然後真正屬於二維材料本身的東西還是很有很多有待挖掘。Less is more，二維電子材料肯定有比三維材料跟多的新穎物理性質，更多的應用。

也許將外爾半金屬材料做成薄膜會比較有意思...

二維納米材料，如棒狀、盤狀等不同形貌的粒子可提高材料的力學性能。二維結構的磷酸鈣可用於骨修復材料，加強其機械性能。