二维材料是什么？二维材料是什么？它和石墨烯有什么关系？
来源：宝鄂实业
2019-04-14 16:33
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一、简介石墨烯的结构及性质
欧洲石墨烯旗舰研究计划项目的研究人员最近解释了悬浮于水中的氧化石墨烯悬浮液是如何在一种人体酶的催化作用下发生了生物降解作用，而且这种降解作用的程度与悬浮液的胶体稳定性有很大关系。该项研究对石墨烯基材料在未来应用于生物医学方面有着巨大的指导意义。
和所有有望实现工业化的新材料一样，石墨烯基材料可能会引起的健康和安全问题已经引起了大量专家和公众的极大兴趣。石墨烯基材料的发展和商业化应用还处于初期阶段，而它所带来的环境问题，健康和安全风险还处于研究当中，其中研究者主要是与欧洲石墨烯旗舰计划相关的研究人员。这个旗舰项目是一个具有学术和工业合作伙伴关系的大型国际财团，由欧盟委员会提供部分基金支持。其目的主要是通过长期的，多学科的研究关注并解决欧洲需要解决的大型科技挑战。
包括石墨烯材料在内的二维材料带来的潜在健康和安全影响是一个目前值得深入研究的焦点。当谈到将石墨烯基材料商业化应用时，其在环境中的持久性和长期积累就成了关键问题，因此，在使用完毕后，如何安全的处理石墨烯基材料及其它工程材料已经成了一个十分有趣的问题。具体就石墨烯而言，这种二维的氧化形式的碳的同素异形体在药物释放，仿生学，组织工程，生物传感等一些相关领域具有巨大的应用潜力，而这一切都归因于其在水中的高度分散性及生物相容性。
氧化石墨烯材料在生物医学技术方面具有高效作用，但它的毒理学效应同样必须要得到系统性的研究及评定。许多相关的实验研究曾报道氧化石墨烯材料在某种情况下会损伤活体细胞并且削弱人体免疫反应。但是综合起来考虑会发现，这些实验的进行日期是不确定的，甚至在某些情况下是自相矛盾的。
石墨烯及其许多的化合物都是生物相容性的，但是很少有关于其降解性的研究报道。基于这个原因，由法国国家研究委员会的一位专家，同时是该旗舰项目的研究者之一的AlbertoBianco带领的研究小组详细研究了氧化石墨烯材料在生物酶的作用下发生的降解作用。其研究成果发表在《Small》期刊上，该项目的研究人员表示，从人体白细胞内提取的髓过氧化物酶，再加入少量低浓度的过氧化氢，就能够将高度分散的氧化石墨烯样本完全代谢降解掉。
这篇发表在《Small》期刊上的文章的第一作者是一位来自Bianco研究小组的博士后研究生RajendraKurapati。Kurapati及其同事主要将研究重点放在髓过氧化物酶降解三种不同氧化石墨烯样品的降解能力，这三种样品主要是根据在水中的分散度不同而进行的分类。值得注意的是，我们这里说的是分散性而不是材料的浓度。研究发现，在髓过氧化物酶的作用下，越高度聚集的氧化石墨烯悬浮液越难以降解，更稳定的胶体在酶的作用下能够完全分解掉。就化学方面而言，氧化石墨烯的分散性取决于石墨烯材料表面的含氧基团，反过来，这又会影响到材料的生物降解性。
在详细介绍了他们的实验结果后，研究人员们开始讨论氧化石墨烯的降解机理，讨论首先大致概括了髓过氧化物酶针对细菌和其它会导致生物组织发炎的侵入性材料的感染过程。在炎症过程中，嗜中性球，一种白细胞的亚型，会聚集在感染区域并分泌髓过氧化物酶，这种酶会催化氯离子和过氧化氢之间的化学反应而产生强氧化剂，例如次氯酸。这些氧化剂具有抗菌特性，并且能够降解掉聚酯型的移植物，胞外糖和氧化碳纳米管等。该研究的作者认为由髓过氧化物酶催化的化学反应过程中产生的这些氧化剂的高氧化还原电位将会以同样的方式将以悬浮液形式存在的氧化石墨烯材料降解掉。材料最可能开始分解的地方主要集中在石墨烯晶格中碳原子与氧原子结合的地方。此外，表面电荷对这个过程也有影响，就如氧化碳纳米管这个例子。因为表明电荷会使得氧化石墨烯和生物酶之间能够结合的更强，并且随后开始引发降解反应。
“我们的实验研究证明了氧化石墨烯在髓过氧化物酶的作用下完全的降解了，同时实验的结果也表明了如果人类或者其他生物意外吸入氧化石墨烯，对于其可能会引起的健康风险也是可以控制的”。Bianco说道：“另一方面，在生物医用领域，若将石墨烯基材料作为临床生物医用材料使用同样也将考虑到其生物降解性能。我们的研究提供了一种安全处理石墨烯基材料且对环境无害的新方法。同样，这对石墨烯基材料的进一步发展，将其作为生物活性分子或者医学药物的释放载体也有着巨大的指导意义。”
氧化石墨烯的具体降解机理是一个仍需要进一步研究探索的课题，但是最新的研究结果也是显而易见的，氧化石墨烯在过氧化氢存在的前提下，在髓过氧化物酶的催化作用下发生了降解作用。并且，降解的程度取决于悬浮液的胶体稳定程度，这一点也说明了氧化石墨烯的亲水特性是它能够被髓过氧化物酶降解掉的一个主要因素。因此，当将工程氧化石墨烯材料应用于生物医学方面时应当考虑到胶体的稳定性这一影响因素。
用胶带粘出石墨烯诺贝尔奖，咱们已经错过。现在才投资石墨烯产业或者股票，恐怕也为时太晚。不过，真正奇妙的，是石墨烯身后庞大的二维材料家族，还可以让人无限期待，无论你是学者，工程师，还是投资家。
尽管石墨烯赚足了注意力，但真正奇妙的却是这些
你是电！你是光！你是唯一的神话！石墨烯自打被发现就迅速封神。这小薄片的材料性能几近完美，简直是为拯救地球而生。从太阳能电池到水净化器，从电子晶体管到传感器，一切的问题，大家都想从石墨烯身上找到答案。习主席访问英国，更是让石墨烯家喻户晓，从科学到投资，从技术到产业，大伙都一窝蜂地涌向石墨烯寻找机会。
用胶带粘出石墨烯诺贝尔奖，咱们已经错过。现在才投资石墨烯产业或者股票，恐怕也为时太晚。不过，真正奇妙的，是石墨烯身后庞大的二维材料家族，还可以让人无限期待，无论你是学者，工程师，还是投资家。今天就让我们走近石墨烯那些身怀绝技，钱途无限的表兄弟，看看他们如何携手翻云覆雨，发动一场材料科学的全新革命。
尽管石墨烯赚足了注意力，但真正奇妙的却是这些
2004年，英国曼彻斯特大学的AndreGeim和KonstantinNovoselov第一次用苏格兰胶带从石墨上分离出单原子层的碳薄片：石墨烯。这小薄片拥有与石墨非常不同的性质：只有一个原子层的厚度，几近透明，却异常柔韧，比钢的强度高，比铜的导电性好，热导率也极高。石墨烯爆表的性能让全球材料学家都为之痴迷，二位科学家也因这一发现荣获2010年诺贝尔物理学奖。
到2014年底，WebofScience里已经堆了91000篇和石墨烯相关的文章。其实石墨烯只是二维材料家族中的一员，它的卓越性能很大程度上是由其二维材料的结构决定的。而它的那些表兄弟，当年与诺奖也不过隔了一条胶带。
二维材料是什么？
二维材料的电子被禁锢在二维的空间里，但并不一定都都像石墨烯，是单原子层的结构。它也可以有几个原子层的厚度，层内原子都以共价键牢牢相互结合在一起，层与层之间通过很弱的范德华力连接，各层之间还是独立的。电子只在层内运动，不会在层间流窜。
尽管石墨烯赚足了注意力，但真正奇妙的却是这些
二维材料会与固态材料呈现出非常不同的性质：电子被限制在一个平面内，运动起来就会特别快(想想沙狐球)，高电子迁移率就是这么来的。而原子数量级的厚度则使得二维材料具有极佳的柔韧性和透光度。都薄得都只剩巨大的表面和几个原子厚的侧边，比表面积自然也非常大。这些二维材料独特的电子，物理，化学和光学性质，使其在众多领域都有巨大的发展潜力。
二维材料的崛起
你的笔记本电脑越来越轻薄，运算速度却越来越快，这是因为计算机的发展遵守摩尔定律。硅晶体管单位数量每18个月增加一倍，尺寸成比例减小。2025年，硅晶体管的尺寸将达到它的物理极限。用什么材料代替硅？这是个问题。
石墨烯一度被视为代替半导体硅的头号种子选手，然而作为电子材料，它有个先天不足：没有能隙。半导体在自然状态下不导电，它只有被一定能量的光,热或者外加电场激发才会导电，所需的能量称为能隙。石墨烯没有能隙，谈啥代替硅？
为了给石墨烯搞个人造能隙，科学家们也是操碎了心。2012年，Novoselov在Nature上总结了下大家的努力：“尽管可以通过形成石墨烯纳米带，单电子晶体管，或双层控制和纳米修饰等方法为石墨烯增大能隙，但能隙宽度始终小于360meV，远未达到所需的开关比，且会造成载流子迁移率的大幅度衰减。”总之，给石墨烯加能隙这事不靠谱。
尽管石墨烯赚足了注意力，但真正奇妙的却是这些
瑞士洛桑理工大学的AndrasKis从2008年就开始钻研一类挺不起眼的二维材料：过渡金属硫化物族(TMDC)。请不要被这魔性的名字吓到，其实它的结构很简单。
参见下面的元素周期表，二维TMDC包含一个过渡金属原子(绿色)和两个硫族原子(桔红)。它是三层原子结构，很像三明治，两层硫族原子中间夹着一层过渡金属原子。总共有超过40种TMDC，其中有一些是半导体，比如后来大名鼎鼎的MoS2。
尽管石墨烯赚足了注意力，但真正奇妙的却是这些
其实早在2005年，Geim和Novoselov两位大牛就已经分离出二维的MoS2，但当时大家都觉得它资质平庸，没有深究。直到2010年，Kis在NatureNanotechnology上宣布成功制造出首批基于单层MoS2材料的晶体管(MOSFET)，并预测其有望发展成为比传统硅晶体管更节能的小尺寸低电压柔性电子器件。
这一突破性进展终于让大家真正开始关注石墨烯以外的二维材料，特别是TMDC。TMDC相关的文章在2008年全年只有零星几篇，现在每天平均发6篇，大家可以感受下这高涨的研究热情。
尽管石墨烯赚足了注意力，但真正奇妙的却是这些
经过几年的发展，目前已有发现的二维材料，除了石墨烯和TMDC，还有六方氮化硼(h-BN)，金属有机骨架化合物(MOFs)，共价有机骨架化合物(COFs)、过渡金属碳化物/碳氮化物(MXenes)，层状双氢氧化物(LDHs)，氧化物(Oxides)，金属(Metals)，黑磷(BP)等等。但这仅仅是冰山一角，物理学家们预测总共应该存在约500种二维材料。
尽管石墨烯赚足了注意力，但真正奇妙的却是这些
二维材料怎么造？
苏格兰胶条虽好，粘下来的终究是碎片。要想要让二维材料真正进入应用领域，寻找靠谱的生产方法至关重要。今天这里就盘点几种主流的制造方法：
机械剥离(苏格兰胶带)：先把胶带粘到原材料表面，再撕下来贴到衬底上，最后从衬底上撕下来。理想状况是衬底上能留下一些二维材料薄片。这样制备出来的材料完美保留了原有的晶格结构，用来搞基础研究很合适。不过靠撕胶条量产显然不靠谱，产量低不说，材料的大小厚度尺寸形状全都随机。
液态剥离：把材料放在有机溶液里超声振荡。这种振荡可以切断材料层间微弱的范德华力，但无法破坏层内原子间的共价键，从而剥离出二维材料。选择合适的有机溶液非常重要，材料和溶液的表面张力匹配得好，剥起来才又快又节能。用有机溶液有个好处，能避免剥离下来的二维薄片再重新聚集起来。制备出来的产物其实是二维材料的悬浮液。这个方法很高产，但真正的单层二维材料产出很低，材料的尺寸很小，还得处理有机溶液的污染。
离子插层和剥离：其实是液态剥离法的升级版。先将离子插入材料层间，削弱层间范德华力，再超声振荡分离出二维薄片。这个方法不但产量高，质量也有保证，单层二维材料的产出比例高达90%。主要问题是离子插层一般都是长时间高温反应，而且常用的嵌入物是有机金属化合物和锂箔，二者见到水和氧气就会爆炸。
化学气相沉积(CVD)：这是最常规的材料沉积方法，将衬底材料置于真空反应舱内，在高温下导入的反应前驱体气体在衬底表面分解或反应，沉积出二维材料。这种方法可以大面积合成高质量的二维材料，尺寸厚度均可控，但前驱体还是容易在材料中引入杂质。此外还需解决两个实际问题：1.如何确保在任意衬底上都能沉积所需要的二维材料2.如何降低反应温度以简化反应过程，提高效率。
化学湿法：通过化学前驱体在溶液中发生化学反应来合成所需的二维材料，一般需要靠表面活性剂来控制材料的尺寸，形状和表面形貌。常见的的化学湿法合成包括模板合成，自组装和胶体合成等。这一类方法成本低，产出高。与其它方法相比，也更容易控制所得材料的尺寸和形状。但这类方法最大的问题是很难获得单层的二维材料，因为反应过程受到太多因素的影响，比如反应温度，时间，前驱体浓度等。
研究进展
TMDC
如何以较低成本大规模生产均一，无缺陷的二维材料，一直是重要课题。
2015年，美国康奈尔大学的JiwoongPark在Nature上宣布他们已成功在大尺寸硅片(直径10cm)上用化学气相沉积法生长出单层的MoS2和WS2薄膜。如此大面积的材料依旧保持了小尺寸样品的优越电子性能。而用这些材料制作的数百个晶体管，99%都可以正常工作。在此单层TMDC基础上，他们又以SiO2作为分隔层，成功沉积了多层TMDC。搞定这样的多层结构，可以说距离实现三维集成电路的产业化目标又近了一步。
尽管石墨烯赚足了注意力，但真正奇妙的却是这些
黑磷
2014年最耀眼的新晋二维家族成员当属黑磷(BP)，而二维黑磷叫磷烯(Phosphorene)。与之前研究最广的TMDC相比，磷烯有两个显著的优点：
它有天然的直接带隙，能隙宽度0.3-2eV(取决于厚度)；
电子迁移率特别高(1000cm2V2S-1)。
尽管石墨烯赚足了注意力，但真正奇妙的却是这些
2014年1月，两组研究人员，一组是复旦大学张远波和中国科学技术大学陈仙辉，另外一组是普渡大学的叶培德，几乎同时在康奈尔大学的Arxiv上贴出了论文的预印本，宣告成功剥离出了两到三个原子层厚的磷烯，并制出了基于磷烯的晶体管。磷烯一问世就迅速成为新的研究热点，不仅是在电子领域，有关磷烯在光电，生物医学等领域的报道都已经陆续浮出水面。
磷烯的主要问题是太活泼。它见到水和氧气就会反应，很难保存，造出来的晶体管也只保存了几分钟。今年10月，爱尔兰都柏林三一学院的DamienHanlon给出了初步的解决方案：液态剥离法。不但实现了量产，还解决了磷烯在空气中不稳定的问题，因为用到的有机溶剂可以确保磷烯和氧气隔离。
另外一项突破性进展来自韩国浦项科技大学的KeunSuKim。研究人员采用原位表面掺杂技术在磷烯内掺入钾原子，引发斯塔克谱线磁裂效应，并以此控制磷烯的能隙宽度。因此未来有可能通过调节能隙，设计和优化基于磷烯的电子器件。
锡烯
发现新材料有两种方式：一种是直接通过实验发现，另一种更酷炫的方法是在理论上预言出某种材料的存在，再在实验室中这到它。
物理学家们通过热力学稳定性和能带结构的计算已经预测出约140种可能存在的二维材料。之前硅烯和锗烯就是这样先被预测到，再在实验室中找到。
尽管石墨烯赚足了注意力，但真正奇妙的却是这些
2013年，美国斯坦福大学的张首晟就从理论上预言了拓扑绝缘体-锡烯(Stanene)的存在。
根据理论计算，锡烯具有直接带隙和超高的导电效率，这为摩尔定律的延续带来了新的希望。2015年8月，上海交通大学的钱冬、贾金锋与张首晟合作在NatureMaterials上报道首次成功制备出烯锡。虽然目前但还未能完全确定的拓扑绝缘体性能，但材料学家们对锡烯的前景非常乐观。
应用前景
二维材料不但拥有出色的物理，化学和光学性质，而且数量庞大，为未来应用提供了更多样的选择。都柏林圣三一学院的JonathanColeman说，无论需要什么的材料特性，二维材料里总有一款适合你。如今研究人员已经在广泛探索二维材料在电子，光电、催化、传感、超级电容器、太阳能电池及锂离子电池等领域的应用。以下仅例举目前相对成熟的三种：
电子
很多二维TMDC材料，比如MoS2，WS2，WSe2,和ZrS2等都是半导体，能隙大约在1-2eV(硅的能隙是1.1eV)，它们的电子迁移率虽然低于石墨烯和硅，但高于非晶硅，是理想的晶体管材料。基于二维TMDC制造的晶体管有较高的I/O比和较低的S因子。此外二维材料的力学性能出色，有望制出高性能柔性电子器件。
储能
很多二维材料兼具比表面积高，本征电导率高和抗氧化性好的特性，很适合作为超级电容器的电极材料。研究表明，使用TMDC，Mxenes和LDH等二维材料作为电极材料，可以制备出大容量，高能和高能量密度的超级电容器。
催化
二维材料的超大比表面积使它们在催化，特别是电催化领域应用前景广阔。单层MoS2和WS2都是电催化析氢反应中表现出很高的催化活性。氢离子在MoS2边缘的吸附能与Pt接近，MoS2有望替代Pt成为电催化析氢反应的高效催化剂。
结语
二维材料真正走入人们视线不过短短数年，已迅速成为全球材料领域的大热，不断涌现新的发现和新的突破，热门程度堪比2005年的石墨烯。尽管二维材料的材料性能还有待继续探索，产业化道路也任重而道远。但人们对而二维材料的期待，早已不仅限于接棒硅材料，延续摩尔定律。二维材料正掀起一场材料领域的革命，而我们有理由相信，最激动人心的时刻还远未到来。
欧洲石墨烯旗舰研究计划项目的研究人员最近解释了悬浮于水中的氧化石墨烯悬浮液是如何在一种人体酶的催化作用下发生了生物降解作用，而且这种降解作用的程度与悬浮液的胶体稳定性有很大关系。该项研究对石墨烯基材料在未来应用于生物医学方面有着巨大的指导意义。
和所有有望实现工业化的新材料一样，石墨烯基材料可能会引起的健康和安全问题已经引起了大量专家和公众的极大兴趣。石墨烯基材料的发展和商业化应用还处于初期阶段，而它所带来的环境问题，健康和安全风险还处于研究当中，其中研究者主要是与欧洲石墨烯旗舰计划相关的研究人员。这个旗舰项目是一个具有学术和工业合作伙伴关系的大型国际财团，由欧盟委员会提供部分基金支持。其目的主要是通过长期的，多学科的研究关注并解决欧洲需要解决的大型科技挑战。
包括石墨烯材料在内的二维材料带来的潜在健康和安全影响是一个目前值得深入研究的焦点。当谈到将石墨烯基材料商业化应用时，其在环境中的持久性和长期积累就成了关键问题，因此，在使用完毕后，如何安全的处理石墨烯基材料及其它工程材料已经成了一个十分有趣的问题。具体就石墨烯而言，这种二维的氧化形式的碳的同素异形体在药物释放，仿生学，组织工程，生物传感等一些相关领域具有巨大的应用潜力，而这一切都归因于其在水中的高度分散性及生物相容性。
氧化石墨烯材料在生物医学技术方面具有高效作用，但它的毒理学效应同样必须要得到系统性的研究及评定。许多相关的实验研究曾报道氧化石墨烯材料在某种情况下会损伤活体细胞并且削弱人体免疫反应。但是综合起来考虑会发现，这些实验的进行日期是不确定的，甚至在某些情况下是自相矛盾的。
石墨烯及其许多的化合物都是生物相容性的，但是很少有关于其降解性的研究报道。基于这个原因，由法国国家研究委员会的一位专家，同时是该旗舰项目的研究者之一的AlbertoBianco带领的研究小组详细研究了氧化石墨烯材料在生物酶的作用下发生的降解作用。其研究成果发表在《Small》期刊上，该项目的研究人员表示，从人体白细胞内提取的髓过氧化物酶，再加入少量低浓度的过氧化氢，就能够将高度分散的氧化石墨烯样本完全代谢降解掉。
这篇发表在《Small》期刊上的文章的第一作者是一位来自Bianco研究小组的博士后研究生RajendraKurapati。Kurapati及其同事主要将研究重点放在髓过氧化物酶降解三种不同氧化石墨烯样品的降解能力，这三种样品主要是根据在水中的分散度不同而进行的分类。值得注意的是，我们这里说的是分散性而不是材料的浓度。研究发现，在髓过氧化物酶的作用下，越高度聚集的氧化石墨烯悬浮液越难以降解，更稳定的胶体在酶的作用下能够完全分解掉。就化学方面而言，氧化石墨烯的分散性取决于石墨烯材料表面的含氧基团，反过来，这又会影响到材料的生物降解性。
在详细介绍了他们的实验结果后，研究人员们开始讨论氧化石墨烯的降解机理，讨论首先大致概括了髓过氧化物酶针对细菌和其它会导致生物组织发炎的侵入性材料的感染过程。在炎症过程中，嗜中性球，一种白细胞的亚型，会聚集在感染区域并分泌髓过氧化物酶，这种酶会催化氯离子和过氧化氢之间的化学反应而产生强氧化剂，例如次氯酸。这些氧化剂具有抗菌特性，并且能够降解掉聚酯型的移植物，胞外糖和氧化碳纳米管等。该研究的作者认为由髓过氧化物酶催化的化学反应过程中产生的这些氧化剂的高氧化还原电位将会以同样的方式将以悬浮液形式存在的氧化石墨烯材料降解掉。材料最可能开始分解的地方主要集中在石墨烯晶格中碳原子与氧原子结合的地方。此外，表面电荷对这个过程也有影响，就如氧化碳纳米管这个例子。因为表明电荷会使得氧化石墨烯和生物酶之间能够结合的更强，并且随后开始引发降解反应。
“我们的实验研究证明了氧化石墨烯在髓过氧化物酶的作用下完全的降解了，同时实验的结果也表明了如果人类或者其他生物意外吸入氧化石墨烯，对于其可能会引起的健康风险也是可以控制的”。Bianco说道：“另一方面，在生物医用领域，若将石墨烯基材料作为临床生物医用材料使用同样也将考虑到其生物降解性能。我们的研究提供了一种安全处理石墨烯基材料且对环境无害的新方法。同样，这对石墨烯基材料的进一步发展，将其作为生物活性分子或者医学药物的释放载体也有着巨大的指导意义。”
氧化石墨烯的具体降解机理是一个仍需要进一步研究探索的课题，但是最新的研究结果也是显而易见的，氧化石墨烯在过氧化氢存在的前提下，在髓过氧化物酶的催化作用下发生了降解作用。并且，降解的程度取决于悬浮液的胶体稳定程度，这一点也说明了氧化石墨烯的亲水特性是它能够被髓过氧化物酶降解掉的一个主要因素。因此，当将工程氧化石墨烯材料应用于生物医学方面时应当考虑到胶体的稳定性这一影响因素。
用胶带粘出石墨烯诺贝尔奖，咱们已经错过。现在才投资石墨烯产业或者股票，恐怕也为时太晚。不过，真正奇妙的，是石墨烯身后庞大的二维材料家族，还可以让人无限期待，无论你是学者，工程师，还是投资家。
尽管石墨烯赚足了注意力，但真正奇妙的却是这些
你是电！你是光！你是唯一的神话！石墨烯自打被发现就迅速封神。这小薄片的材料性能几近完美，简直是为拯救地球而生。从太阳能电池到水净化器，从电子晶体管到传感器，一切的问题，大家都想从石墨烯身上找到答案。习主席访问英国，更是让石墨烯家喻户晓，从科学到投资，从技术到产业，大伙都一窝蜂地涌向石墨烯寻找机会。
用胶带粘出石墨烯诺贝尔奖，咱们已经错过。现在才投资石墨烯产业或者股票，恐怕也为时太晚。不过，真正奇妙的，是石墨烯身后庞大的二维材料家族，还可以让人无限期待，无论你是学者，工程师，还是投资家。今天就让我们走近石墨烯那些身怀绝技，钱途无限的表兄弟，看看他们如何携手翻云覆雨，发动一场材料科学的全新革命。
尽管石墨烯赚足了注意力，但真正奇妙的却是这些
2004年，英国曼彻斯特大学的AndreGeim和KonstantinNovoselov第一次用苏格兰胶带从石墨上分离出单原子层的碳薄片：石墨烯。这小薄片拥有与石墨非常不同的性质：只有一个原子层的厚度，几近透明，却异常柔韧，比钢的强度高，比铜的导电性好，热导率也极高。石墨烯爆表的性能让全球材料学家都为之痴迷，二位科学家也因这一发现荣获2010年诺贝尔物理学奖。
到2014年底，WebofScience里已经堆了91000篇和石墨烯相关的文章。其实石墨烯只是二维材料家族中的一员，它的卓越性能很大程度上是由其二维材料的结构决定的。而它的那些表兄弟，当年与诺奖也不过隔了一条胶带。
二维材料是什么？
二维材料的电子被禁锢在二维的空间里，但并不一定都都像石墨烯，是单原子层的结构。它也可以有几个原子层的厚度，层内原子都以共价键牢牢相互结合在一起，层与层之间通过很弱的范德华力连接，各层之间还是独立的。电子只在层内运动，不会在层间流窜。
尽管石墨烯赚足了注意力，但真正奇妙的却是这些
二维材料会与固态材料呈现出非常不同的性质：电子被限制在一个平面内，运动起来就会特别快(想想沙狐球)，高电子迁移率就是这么来的。而原子数量级的厚度则使得二维材料具有极佳的柔韧性和透光度。都薄得都只剩巨大的表面和几个原子厚的侧边，比表面积自然也非常大。这些二维材料独特的电子，物理，化学和光学性质，使其在众多领域都有巨大的发展潜力。
二维材料的崛起
你的笔记本电脑越来越轻薄，运算速度却越来越快，这是因为计算机的发展遵守摩尔定律。硅晶体管单位数量每18个月增加一倍，尺寸成比例减小。2025年，硅晶体管的尺寸将达到它的物理极限。用什么材料代替硅？这是个问题。
石墨烯一度被视为代替半导体硅的头号种子选手，然而作为电子材料，它有个先天不足：没有能隙。半导体在自然状态下不导电，它只有被一定能量的光,热或者外加电场激发才会导电，所需的能量称为能隙。石墨烯没有能隙，谈啥代替硅？
为了给石墨烯搞个人造能隙，科学家们也是操碎了心。2012年，Novoselov在Nature上总结了下大家的努力：“尽管可以通过形成石墨烯纳米带，单电子晶体管，或双层控制和纳米修饰等方法为石墨烯增大能隙，但能隙宽度始终小于360meV，远未达到所需的开关比，且会造成载流子迁移率的大幅度衰减。”总之，给石墨烯加能隙这事不靠谱。
尽管石墨烯赚足了注意力，但真正奇妙的却是这些
瑞士洛桑理工大学的AndrasKis从2008年就开始钻研一类挺不起眼的二维材料：过渡金属硫化物族(TMDC)。请不要被这魔性的名字吓到，其实它的结构很简单。
参见下面的元素周期表，二维TMDC包含一个过渡金属原子(绿色)和两个硫族原子(桔红)。它是三层原子结构，很像三明治，两层硫族原子中间夹着一层过渡金属原子。总共有超过40种TMDC，其中有一些是半导体，比如后来大名鼎鼎的MoS2。
尽管石墨烯赚足了注意力，但真正奇妙的却是这些
其实早在2005年，Geim和Novoselov两位大牛就已经分离出二维的MoS2，但当时大家都觉得它资质平庸，没有深究。直到2010年，Kis在NatureNanotechnology上宣布成功制造出首批基于单层MoS2材料的晶体管(MOSFET)，并预测其有望发展成为比传统硅晶体管更节能的小尺寸低电压柔性电子器件。
这一突破性进展终于让大家真正开始关注石墨烯以外的二维材料，特别是TMDC。TMDC相关的文章在2008年全年只有零星几篇，现在每天平均发6篇，大家可以感受下这高涨的研究热情。
尽管石墨烯赚足了注意力，但真正奇妙的却是这些
经过几年的发展，目前已有发现的二维材料，除了石墨烯和TMDC，还有六方氮化硼(h-BN)，金属有机骨架化合物(MOFs)，共价有机骨架化合物(COFs)、过渡金属碳化物/碳氮化物(MXenes)，层状双氢氧化物(LDHs)，氧化物(Oxides)，金属(Metals)，黑磷(BP)等等。但这仅仅是冰山一角，物理学家们预测总共应该存在约500种二维材料。
尽管石墨烯赚足了注意力，但真正奇妙的却是这些
二维材料怎么造？
苏格兰胶条虽好，粘下来的终究是碎片。要想要让二维材料真正进入应用领域，寻找靠谱的生产方法至关重要。今天这里就盘点几种主流的制造方法：
机械剥离(苏格兰胶带)：先把胶带粘到原材料表面，再撕下来贴到衬底上，最后从衬底上撕下来。理想状况是衬底上能留下一些二维材料薄片。这样制备出来的材料完美保留了原有的晶格结构，用来搞基础研究很合适。不过靠撕胶条量产显然不靠谱，产量低不说，材料的大小厚度尺寸形状全都随机。
液态剥离：把材料放在有机溶液里超声振荡。这种振荡可以切断材料层间微弱的范德华力，但无法破坏层内原子间的共价键，从而剥离出二维材料。选择合适的有机溶液非常重要，材料和溶液的表面张力匹配得好，剥起来才又快又节能。用有机溶液有个好处，能避免剥离下来的二维薄片再重新聚集起来。制备出来的产物其实是二维材料的悬浮液。这个方法很高产，但真正的单层二维材料产出很低，材料的尺寸很小，还得处理有机溶液的污染。
离子插层和剥离：其实是液态剥离法的升级版。先将离子插入材料层间，削弱层间范德华力，再超声振荡分离出二维薄片。这个方法不但产量高，质量也有保证，单层二维材料的产出比例高达90%。主要问题是离子插层一般都是长时间高温反应，而且常用的嵌入物是有机金属化合物和锂箔，二者见到水和氧气就会爆炸。
化学气相沉积(CVD)：这是最常规的材料沉积方法，将衬底材料置于真空反应舱内，在高温下导入的反应前驱体气体在衬底表面分解或反应，沉积出二维材料。这种方法可以大面积合成高质量的二维材料，尺寸厚度均可控，但前驱体还是容易在材料中引入杂质。此外还需解决两个实际问题：1.如何确保在任意衬底上都能沉积所需要的二维材料2.如何降低反应温度以简化反应过程，提高效率。
化学湿法：通过化学前驱体在溶液中发生化学反应来合成所需的二维材料，一般需要靠表面活性剂来控制材料的尺寸，形状和表面形貌。常见的的化学湿法合成包括模板合成，自组装和胶体合成等。这一类方法成本低，产出高。与其它方法相比，也更容易控制所得材料的尺寸和形状。但这类方法最大的问题是很难获得单层的二维材料，因为反应过程受到太多因素的影响，比如反应温度，时间，前驱体浓度等。
研究进展
TMDC
如何以较低成本大规模生产均一，无缺陷的二维材料，一直是重要课题。
2015年，美国康奈尔大学的JiwoongPark在Nature上宣布他们已成功在大尺寸硅片(直径10cm)上用化学气相沉积法生长出单层的MoS2和WS2薄膜。如此大面积的材料依旧保持了小尺寸样品的优越电子性能。而用这些材料制作的数百个晶体管，99%都可以正常工作。在此单层TMDC基础上，他们又以SiO2作为分隔层，成功沉积了多层TMDC。搞定这样的多层结构，可以说距离实现三维集成电路的产业化目标又近了一步。
尽管石墨烯赚足了注意力，但真正奇妙的却是这些
黑磷
2014年最耀眼的新晋二维家族成员当属黑磷(BP)，而二维黑磷叫磷烯(Phosphorene)。与之前研究最广的TMDC相比，磷烯有两个显著的优点：
它有天然的直接带隙，能隙宽度0.3-2eV(取决于厚度)；
电子迁移率特别高(1000cm2V2S-1)。
尽管石墨烯赚足了注意力，但真正奇妙的却是这些
2014年1月，两组研究人员，一组是复旦大学张远波和中国科学技术大学陈仙辉，另外一组是普渡大学的叶培德，几乎同时在康奈尔大学的Arxiv上贴出了论文的预印本，宣告成功剥离出了两到三个原子层厚的磷烯，并制出了基于磷烯的晶体管。磷烯一问世就迅速成为新的研究热点，不仅是在电子领域，有关磷烯在光电，生物医学等领域的报道都已经陆续浮出水面。
磷烯的主要问题是太活泼。它见到水和氧气就会反应，很难保存，造出来的晶体管也只保存了几分钟。今年10月，爱尔兰都柏林三一学院的DamienHanlon给出了初步的解决方案：液态剥离法。不但实现了量产，还解决了磷烯在空气中不稳定的问题，因为用到的有机溶剂可以确保磷烯和氧气隔离。
另外一项突破性进展来自韩国浦项科技大学的KeunSuKim。研究人员采用原位表面掺杂技术在磷烯内掺入钾原子，引发斯塔克谱线磁裂效应，并以此控制磷烯的能隙宽度。因此未来有可能通过调节能隙，设计和优化基于磷烯的电子器件。
锡烯
发现新材料有两种方式：一种是直接通过实验发现，另一种更酷炫的方法是在理论上预言出某种材料的存在，再在实验室中这到它。
物理学家们通过热力学稳定性和能带结构的计算已经预测出约140种可能存在的二维材料。之前硅烯和锗烯就是这样先被预测到，再在实验室中找到。
尽管石墨烯赚足了注意力，但真正奇妙的却是这些
2013年，美国斯坦福大学的张首晟就从理论上预言了拓扑绝缘体-锡烯(Stanene)的存在。
根据理论计算，锡烯具有直接带隙和超高的导电效率，这为摩尔定律的延续带来了新的希望。2015年8月，上海交通大学的钱冬、贾金锋与张首晟合作在NatureMaterials上报道首次成功制备出烯锡。虽然目前但还未能完全确定的拓扑绝缘体性能，但材料学家们对锡烯的前景非常乐观。
应用前景
二维材料不但拥有出色的物理，化学和光学性质，而且数量庞大，为未来应用提供了更多样的选择。都柏林圣三一学院的JonathanColeman说，无论需要什么的材料特性，二维材料里总有一款适合你。如今研究人员已经在广泛探索二维材料在电子，光电、催化、传感、超级电容器、太阳能电池及锂离子电池等领域的应用。以下仅例举目前相对成熟的三种：
电子
很多二维TMDC材料，比如MoS2，WS2，WSe2,和ZrS2等都是半导体，能隙大约在1-2eV(硅的能隙是1.1eV)，它们的电子迁移率虽然低于石墨烯和硅，但高于非晶硅，是理想的晶体管材料。基于二维TMDC制造的晶体管有较高的I/O比和较低的S因子。此外二维材料的力学性能出色，有望制出高性能柔性电子器件。
储能
很多二维材料兼具比表面积高，本征电导率高和抗氧化性好的特性，很适合作为超级电容器的电极材料。研究表明，使用TMDC，Mxenes和LDH等二维材料作为电极材料，可以制备出大容量，高能和高能量密度的超级电容器。
催化
二维材料的超大比表面积使它们在催化，特别是电催化领域应用前景广阔。单层MoS2和WS2都是电催化析氢反应中表现出很高的催化活性。氢离子在MoS2边缘的吸附能与Pt接近，MoS2有望替代Pt成为电催化析氢反应的高效催化剂。
结语
二维材料真正走入人们视线不过短短数年，已迅速成为全球材料领域的大热，不断涌现新的发现和新的突破，热门程度堪比2005年的石墨烯。尽管二维材料的材料性能还有待继续探索，产业化道路也任重而道远。但人们对而二维材料的期待，早已不仅限于接棒硅材料，延续摩尔定律。二维材料正掀起一场材料领域的革命，而我们有理由相信，最激动人心的时刻还远未到来。
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