看二维材料王国开疆拓土 石墨烯创新高潮又来袭

 体验式策划     |      2021-08-20 00:02
本文摘要:例如,与石墨烯有所不同,许多TMDC是半导体,这意味著它们有潜力被做成分子级别的数字处理器,并比硅更为节约能源。到2010年,Kis团队利用TMDC二硫化钼申请专利了首个单层晶体管,并预测有一天这些设备能获取柔性电子。

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物理学家习惯用于他们所能想起的最差的词语来形容石墨烯。这丝厚的单原子厚度的碳是灵活性、半透明的,比钢强、比铜导电好,虽然十分厚,但它实质上是二维材料。

在2004年被分离出来后旋即,石墨烯就沦为全世界研究人员着迷的对象。不过,对Andras Kis而言并非如此。

Kis回应,与石墨烯一样不可思议的是,“我实在必需打破碳”。因此,在2008年,当他有机会在瑞士联邦理工学院(EPFL)重新组建自己的纳米电子学研究团队时,Kis专心于研究一种超平材料。

这些材料有一个“僵硬”的名字:过渡性金属硫化物(TMDC),但它们具备非常非常简单的二维结构。钼或钨等过渡性金属原子的单排结构,垫在某种程度厚的硫元素层之间,例如硫和硒——在元素周期表中,它们皆坐落于氧元素的下方。Kis回应,TMDC完全与石墨烯某种程度厚、半透明和灵活性。

“但它们莫名不可思议地就获得一个没有有意思的名声,我指出它们应当有第二次机会。”他是对的。迅速,研究人员找到,有所不同基础成分配上做成的TMDC具备大范围的电子和光学特性。例如,与石墨烯有所不同,许多TMDC是半导体,这意味著它们有潜力被做成分子级别的数字处理器,并比硅更为节约能源。

在几年中,全世界大量实验室早已重新加入了找寻这种二维材料的行列。“最初是一种,然后是两种、三种,突然间,变为了二维材料王国。”Kis说道。从2008年的零星出版发行,到现在每天6篇出版物问世,二维TMDC大大发展。

物理学家指出有可能有大约500种二维材料,不只石墨烯和TMDC,还包括单层金属氧化物和单元素材漆。“如果你想一个等价属性的二维材料,那么你将能寻找一个。

”爱尔兰都柏林三一学院物理学家Jonathan Coleman说道。“每一个都像乐高积木,如果你将它们拼在一起,也许就能作出一个全新的东西。

”Kis说道。平面大冒险仅有几个原子厚度的材料,就能有十分有所不同的基本特性。“即便块体材料乏善可陈,但如果你能将它变成二维形式,它不会关上新的大门。

”中国复旦大学实验凝聚态物理学家张远波说道。碳就是一个典型的案例。2004年,物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov首次报告称之为,他们在英国曼彻斯特大学的实验室分离出了石墨烯。

他们的技术非常简单。基本步骤是,在石墨薄片上松开一条胶带,然后将胶带取下,胶带上就残余有一些原子厚度的薄层。

通过反复该过程,他们最后获得了单原子层,于是Geim和Novoselov以求开始研究石墨烯的特性。该研究取得2010年诺贝尔物理学奖。物理学家迅速研发出该物质的许多应用于特性,从制作可倾斜屏幕到能源储存。

但意外的是,石墨烯并不限于于数字电子学领域。而对于这一领域而言,理想材料是半导体。不过,Geim和Novoselov在制作石墨烯方面取得的顺利鼓舞了其他研究人员。Kis等人开始探寻可替代的二维材料。

于是,他们射击了TMDC。到2010年,Kis团队利用TMDC二硫化钼申请专利了首个单层晶体管,并预测有一天这些设备能获取柔性电子。2010年的诸多研究表明,二硫化钼能有效地吸取和升空光,使其未来将会用作太阳能电池和光电探测器。法国图卢兹物理和化学纳米实验室物理学家Bernhard Urbaszek回应,单层TMDC能捕捉多达10%的摄取光子,这对于3个原子厚度的材料而言是一个不可思议的数字。

这也协助他们解决问题了另一个问题:将光转化成为电。当光子撞到到这个三层晶体管上时,能推展电子穿过能隙,并容许其穿越一个外部电路。

每个自由电子不会在该晶体中留给一个真空区,这里是电子本来的方位—— 一个带上正电荷的洞。再加电压后,这些洞和电子不会向有所不同的方向循环,从而产生一个电流净流。该过程还能被反败为胜,将要电转化为光。如果电子和真为空洞被从一个外部环路流经TMDC,当它们遇见时就不会再度人组然后获释光子。

这种光电互相转化成的能力使得TMDC未来将会被用作利用光传输信息、用于微小的较低功率光源,甚至激光。不过,二硫化钼的电子迁入速率依然过于低,很难在挤迫的电子市场中具备竞争优势。其原因是这种材料的结构特征,电子在其内部移动时,遇到较小的金属原子后会在其结构内再次发生弹离,从而减少迁入速度。

今年,4个有所不同的研究小组皆找到,TMDC二硒简化钨能吸收和获释单个光子。Urbaszek提及,而量子密码和通讯领域正是必须这样的发射器,当你“按下按钮,就能获得一个光子”。

现有的单光子发射器一般来说由块状半导体做成,而二维材料将更加小且更容易与其他设备构建。元素位移也有研究小组正在探寻元素周期表的有所不同部分。

张远波小组和美国普渡大学的Peide Ye研究组,在去年顺利制取了基于新型二维晶体黑磷的场效应晶体管器件。这一新型二维半导体材料是时隔石墨烯、二硫化钼之后的又一最重要进展,为二维晶体材料家族加添了一位新成员。黑磷是磷的一种同素异形体,是由单层的磷原子填充而出的二维晶体。与石墨烯仅次于的有所不同是,黑磷有一个半导体能隙,而且比硅烯更加平稳。

黑磷的半导体能隙是个必要能隙,将强化其和光的必要耦合,让黑磷沦为未来光电器件(例如光电传感器)的一个最合适材料。不过,与其他显元素二维材料一样,黑磷能与氧气和水再次发生十分强劲的反应。“在24小时后,我们可以看见材料表面的气泡,然后整个设备在数日内就不会过热。

”得州大学奥斯汀分校二维黑磷单晶专家Joon-Seok Kim说道。如果要使其持续数小时,就必须将它垫在其他材料层之间。

这种天然的不稳定性,使生产设备十分困难。因此,法国艾克斯·马赛大学物理学家Guy Le Lay预计,目前有关黑磷的80%的论文仍停留在理论阶段。而且,中国台湾新竹“国立清华大学”材料学教授Yi-Hsien Lee也回应,二维黑磷单晶之所以取得一些研究人员的注目,是因为这种材料更容易上手——像石墨烯那样,可以轻而易举地用透明胶带上破损白鳞的薄片。

“这是同一种方法。但这并不意味著,二维黑磷单晶前景岌岌可危。

”尽管如此,张远波和Ye在生产黑磷晶体管方面仍取得成功。而且,今年首个硅烯晶体管问世。两年前,科学家曾认为,现有技术无法生产硅烯晶体管。

“因此,预测未来一般来说十分危险性。”Le Lay打趣称之为。但Le Lay指出仍有艰难难以克服。

不顾一切一些物理学家在找寻新的二维材料,并企图搞清楚其特性时,其他人则在将它们垫在一起。“与企图投票决定一种材料并说这是最差的有所不同,也许最差的方法是将它们以某种方式融合在一起,以便它们有所不同的特性能被必要应用于。”Kis说道。

这有可能意味著,冲刷有所不同的二维材料,做成微小、密集三维环路。实际预测欧盟石墨烯旗舰项目负责人、瑞典歌德堡坎尔姆斯理工大学物理学家Jari Kinaret回应,当前环绕二维材料的熙攘,让人误解到2005年石墨烯带来人们的激动。该项目也研究其他二维材料。但Kinaret警告称之为,有可能必须20年才能预估这些材料的潜在性能。

“最初的二维材料研究主要注目其电子特性,因为这更加相似物理学家的内心。”Kinaret说道,“但我指出,这些应用于如果能来临,有可能几乎出乎意料。

”那些在实验室里看起来很好的材料,一般来说在现实世界里无法充分发挥其功效。所有二维材料面对的一个最重要问题是,如何低廉地生产统一、无缺失的薄层。

“粘带方法”能很好地限于于TMDC和黑磷,但却浪费时间。而且,在制作块体黑磷时,该方法成本较高。目前,没有人能从零开始完备单层二维材料的制取,更加不用说道物理学家指出有前途的分层结构了。

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“必须很长时间制作我们的异质结构。”华盛顿大学物理学家徐晓东(音译)说道,“我们如何能加快或自动制取?还有很多工作必须做到。”这些实际问题将阻碍二维材料构建其最初的“愿景”。

“有许多这样的工作,结果只是一时间疯狂。”Kis说道,“但我指出如此多的材料和有所不同特性,将能保证生产量一些结果。”同时,Coleman认为,二维材料王国正在扩展。

单层砷烯也早已在研究人员头脑里占据一席之地。“当人们开始拓展范围时,他们不会找到具备优良性能的新材料。”Coleman说道,“最令人兴奋的二维材料有可能仍未制作出来。

”那些在实验室里看起来很好的材料,一般来说在现实世界里无法充分发挥其功效。所有二维材料面对的一个最重要问题是,如何低廉地生产统一、无缺失的薄层。

“粘带方法”能很好地限于于TMDC和黑磷,但却浪费时间。而且,在制作块体黑磷时,该方法成本较高。目前,没有人能从零开始完备单层二维材料的制取,更加不用说道物理学家指出有前途的分层结构了。“必须很长时间制作我们的异质结构。

”华盛顿大学物理学家徐晓东(音译)说道,“我们如何能加快或自动制取?还有很多工作必须做到。”这些实际问题将阻碍二维材料构建其最初的“愿景”。“有许多这样的工作,结果只是一时间疯狂。

”Kis说道,“但我指出如此多的材料和有所不同特性,将能保证生产量一些结果。”同时,Coleman认为,二维材料王国正在扩展。单层砷烯也早已在研究人员头脑里占据一席之地。

“当人们开始拓展范围时,他们不会找到具备优良性能的新材料。”Coleman说道,“最令人兴奋的二维材料有可能仍未制作出来。


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