日前，美國科學家宣稱首次製備出錫原子構成的二維材料——錫烯，但尚未證實它是否有理論所預測的超高導電效率。該研究文章發表在8月3日的《自然·材料》。

　　錫烯是石墨烯最新誕生的“小弟弟”。在此之前，包括由硅原子組成的硅烯、由磷原子組成的磷烯，以及由鍺原子組成的鍺烯，甚至還有由不同的單層原子材料堆疊成的功能材料 ，這些都是石墨烯的“同門兄弟”。

　　他們有一個共同的名字——二維材料。那麼，二維材料為何成為各國實驗室研究的熱點？它們具有哪些特點？實際應用的前景有多大？推廣應用的難點又在哪兒？

　　 新天地的缺憾

　　僅有幾個原子厚度的材料會呈現出與固態材料非常不同的性質，哪怕它們的分子組成相同。“即便塊狀材料是原來的，如果你將它製成二維形態，它就會展現出一片新天地。”復旦大學實驗凝聚態物理學家張遠波説。

　　碳就是一個經典的例子。2004年在英國曼徹斯特大學的實驗室，物理學家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）第一次從石墨中分離出了石墨烯。這種單原子層厚度的碳薄片柔韌、透明，比鋼鐵強度高、比銅導電性好，如此之薄以至於稱它為“二維材料”可謂實至名歸。

　　物理學家們迅速開始利用這些性質嘗試開發各種各樣的應用，從可彎曲螢幕到能量存儲。不幸的是，事實證明石墨烯並不適合數字電子應用。這方面應用的理想材料是半導體：半導體只有在其電子被一定能量的熱、光或外加電壓激發時才能夠導電，其中所需的能量被稱為帶隙，帶隙的大小隨材料的不同而變。調節半導體材料導電性的開和關，就産生了數字世界的0和1。但本徵石墨烯卻不存在帶隙——它一直都導電。

　　即便如此，海姆和諾沃肖洛夫成功制得石墨烯激勵了其他研究者開始探尋具有帶隙的其他二維材料。

　　平面國度的探險

　　“儘管石墨烯很神奇，我認為除了碳之外我們還應當關注其他各種各樣的二維材料。”於是在2008年，安德拉斯·基什（Andras Kis）剛剛得到在瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）成立自己的奈米電子研究組的機會，便致力於探索一類一直隱沒在石墨烯光芒下的超平材料。

　　這些材料有一個長長的名字——過渡金屬二硫族化合物（TMDC）——卻有十分簡單的二維結構。TMDC幾乎和石墨烯一樣薄，也有著與石墨烯相當的透明度和柔性。

　　到2010年，基什的團隊成功製成第一個單層二硫化鉬（MoS2）電晶體，並預測這種電晶體有朝一日將會發展成小尺寸、低電壓需求的柔性電子器件，這意味著它們將比傳統的硅電晶體能耗更低。具有半導體性並不是它的唯一優勢，研究顯示MoS2既能有效吸收光，也能有效發射光，使得它在太陽能電池和光電探測器方面有著誘人的應用前景。

　　短短幾年之間，世界各地的實驗室都加入了追尋二維材料的行列。“最初是一種，接著是兩種，三種，然後忽然間就成為了二維材料的天地。”基什説。關於二維TMDC的論文從2008年的一年幾篇，增長到了現在每一天就發表六篇。

　　物理學家認為可能約有500種二維材料，不僅是石墨烯和TMDC，還有單層金屬氧化物以及像硅烯和磷烯這樣的單元素材料。“如果你想要任意一種特定性質的二維材料，”都柏林聖三一學院的物理學家喬納森·科爾曼（Jonathan Coleman）説，“那你肯定能找到一個。”

　　實現瘋狂的想法

　　在研究者們關注TMDC的同時，理論學者們正在尋找其他可設計為二維結構的材料。一個顯而易見的選擇是硅：硅位於元素週期表中碳的正下方，與碳的成鍵方式相似，具有天然帶隙，並被廣泛用於電子工業中。

　　不幸的是，理論預測表明這種“硅烯”二維薄片活性非常高，在空氣中極不穩定。它也無法像其他二維材料一樣通過從晶體上撕下來製備：自然狀態的硅只存在類似于金剛石結構的三維形態，沒有任何一種是石墨那樣的片狀層疊結構。

　　“人們説這太瘋狂了，根本不可能實現。”法國艾克斯－馬賽大學的物理學家居伊·勒萊（Guy Le Lay）説。然而多年研究在硅表面生長金屬的勒萊意識到，把這逆轉過來就得到了製造硅烯的方法——在金屬上生長原子厚度的硅。2012年，他成功製備出硅烯：在銀上生長了硅烯層，且其原子結構呈現出完美的二維特徵。

　　在這一成果的鼓舞下，勒萊和其他研究者們從此開始向元素週期表中碳族的下方進發。去年，他使用與前述類似的技術展示了在金基底上生長的二維網狀鍺原子——也就是鍺烯。

　　科學家的下一個目標正是錫烯。錫烯的帶隙應該會比硅烯和鍺烯更大，因此它的器件能夠在更高的溫度和電壓下工作。此外，科學家預測錫烯中電荷的輸運僅發生在其外緣，因此它將有超高的導電效率。

　　換一種元素

　　研究者們也在探索元素週期表的其他部分。張遠波的研究組和美國普渡大學葉培德領導的另一個研究組去年從黑磷中剝離出了二維層狀結構。像石墨烯一樣，磷烯傳導電子很快； 而與石墨烯不同的是，它有天然帶隙，而且它比硅烯更穩定。

　　磷烯迅速崛起。在2013年的美國物理學會會議上，它還僅僅是張遠波課題組成員發表的一個報告的主題； 到2015年，大會就有了三個專門關於它的分會場。然而，與其他純元素二維材料相比，磷烯與氧氣和水的反應活性都很強。如果想讓它的保存時間超過數小時，就需要將它夾在其他材料層之間。由於這種與生俱來的不穩定性，用“烯”類材料製造器件的難度很大；勒萊估計，約80%的相關文章都還停留在理論階段。

　　儘管如此，張遠波和葉培德還是成功製成了磷烯電晶體。今年，首個硅烯電晶體也問世了，儘管它只保存了幾分鐘。不過，勒萊依然樂觀，他認為這些問題並不是不可克服的。他指出，兩年前海姆和其他物理學家們還聲稱現有技術不可能生産出硅烯電晶體。“所以預測未來通常是很危險的。”勒萊開玩笑地説道。

　　 下一個維度

　　“每一種材料就像一塊樂高積木，”基什説，“如果你把它們放在一起，也許就能堆積出全新的東西。”

　　二維材料最激動人心的前沿之一，卻是將它們堆疊成依然很薄但的確是三維的結構。利用各種各樣的二維超平材料迥異的性質，可以製造一整個完全由原子級厚度組件構成的數字電路，這將創造出之前聞所未聞的器件。

　　“與其設法找一個材料然後説它就是最好的，也許不如用某種方式將它們結合在一起，這樣就能綜合利用它們的不同優勢了。”基什説。這就意味著我們可以將不同二維材料構成的組件堆疊起來，製造小型、密集的三維電路。

　　今年2月份，諾沃肖洛夫和他的團隊逆轉了太陽能電池的概念，用石墨烯做電極，以二硫化鉬（MoS2）和其他TMDC為材料設計了一種發光二極體。通過選擇不同的TMDC，他們還可以調控釋放光子的波長。

　　就算是石墨烯，也一樣可以從其他二維材料上得到提升，義大利國家奈米科學公司（NEST）的物理學家馬爾科· 波利尼（Marco Polini）如是説。他的團隊一直致力於研究把石墨烯夾在二維層狀絕緣體氮化硼（BN） 層間的器件。鐳射聚焦在該器件上時，石墨烯層就能壓縮光束併為光束提供通道，效果遠遠勝於石墨烯夾在塊狀材料間的器件。波利尼説，原則上，這意味著可以用光子而非電子在晶片間攜帶資訊，晶片通信可能因此而變得更快速有效。

　　走向應用還很漫長

　　瑞典查爾姆斯理工大學的物理學家亞裏· 基納雷特（Jari Kinaret）説，現在二維材料領域的盛景讓人回憶起了2005年對石墨烯的狂熱。他是歐盟石墨烯旗艦計劃的負責人，這一項目也研究其他二維材料。

　　但基納雷特警告説，要真正去評估這些材料的應用潛力可能還需要20年。“關於二維材料的初步研究大多集中于它們的電學性質，因為這些更接近物理學家的‘初心’，”基納雷特説，“但我認為所謂的應用，即便有一天實現了，也更可能在一個完全沒有預見到的領域。”

　　在實驗室表現良好的材料並不總是能成功進入真正的應用領域。二維材料面對的一個主要問題，是如何廉價地生産均一、無缺陷的二維薄層。膠帶法適用於製備層狀TMDC和磷烯，但太耗時以至於無法用於大規模製備。黑磷塊狀材料的製備也很昂貴，因為需要將自然存在的白磷放在超高壓力中。目前還沒有人較為完美地從零開始生長單層二維材料，更不必説物理學家認為有前途的分層結構了。

　　“製備異質結構會花費很長時間，”華盛頓大學的物理學家徐曉東説，“怎樣才能使製備過程加速或者自動化？這裡面還有很多的工作要做。”

　　這些實際問題可能使得二維材料無法實現它們預期的前景。“像這樣的熱潮曾經也有過許多，結果不過是曇花一現。”基什説，“但我認為鋻於現有二維材料的數量很多且性質豐富，應該能夠保證做出一些東西。”同時，這個領域還在擴張。科爾曼説，作為比磷烯分子量更大的同族兄弟砷烯（Arsenene），已經進入研究者們的設想中。

　　“隨著人們開始向新方向發展，他們將會發現更多具有優異性質的新材料，”科爾曼説，“也許最激動人心的二維材料尚未製備出來。”

　　稿件來源：《環球科學》（《科學美國人》中文版）2015年8月號，有刪節

　　撰文：伊麗莎白·吉布尼（Elizabeth Gibney） 翻譯：張娜