二维材料的制备与应用论文

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问:二维材料有哪些
  1. 答:二维材料家族涵盖了绝缘体、半导体、半金属、金属和超导体,是目前凝聚态物理和材料科学领域的研究热点。制备高质量的二维材料,特别是原子层量级的超薄材料,是开展本征物性研究和探索新现象的基础。
    随着研究的深入,多种二维材料的制备手段逐渐发展起来,包括化学气相沉积法(CVD),分子束外延法(MBE)、液相剥离法和机械解理法等。化学气相沉积法可以制备大面积的二维材料,但对于不同材料制备工艺差异很大,在单晶性、缺陷、层数等方面难以控制,为深入研究二维材料的性质带来了挑战;分子束外延法可以获得单晶质量很高的样品,但对于真空度、元素的物理性质以及基底的选择都有极高的要求,很多二维材料难以通过MBE方法制备,并且在某些材料体系中(如单层FeSe),分子束外延法生长的二维材料与基底存在显著的相互作用,影响到对于材料本征物性的研究。液相剥离法可以实现二维材料的量产化制备,对于工业化应用有重要应用潜力,但这种制备方法在制备过程中会引入缺陷和液相污染,不利于研究二维材料的本征性质。
    2004年,诺贝尔物理学奖得主Geim教授和Novoselov教授最早发展出了机械解理技术,并获得了单层石墨烯,掀起了二维材料的研究热潮。近十年来,机械解理技术已被广泛应用于制备各种高质量的二维材料。石墨烯、MoS2以及单层高温超导材料Bi2212等诸多材料的本征物理性质,都是在机械解理的样品上观察到。在异质结和转角石墨烯等人造晶体中,机械解理的样品也同样展现出独特的优势。机械解理的样品与基底相互作用弱,制备过程简单,样品质量高,这些优势使得该方法在二维材料研究中获得了极大的成功。但是随着研究的深入,人们发现该方法同样存在许多不足,特别是制备效率低和样品尺寸小等问题,限制了许多先进的实验手段如扫描隧道显微镜(STM)、红外-太赫兹光谱以及角分辨光电子能谱(ARPES)对二维材料的研究。
问:二维材料的新突破:科学家合成稳定的二维碘化亚铜
  1. 答:通过设计合成新材料,不仅可以提高已知应用的效率,也可以实现以前现有材料无法实现的全新应用。数以万计的二维材料虽然已经被预测存在,但目前只有少量在实验室环境下被生产出来。导致这种情况的主要原因是这些材料的不稳定性,有些只能在实验室环境下操作。
    作为第一个在正常实验室条件下不存在的材料的例子,近日研究人员合成了稳定在石墨烯夹层中的二维碘化亚铜。该合成方法利用了氧化石墨烯多层的层间间距,这使得碘和铜原子能够扩散到间隙中,并生长出新材料。这里的石墨烯层有一个重要的作用,对夹层材料施加一个高压,从而使其变得稳定。由此产生的夹层结构显示在下面的图示中。
    该研究的主要作者 Kimmo Mustonen 说:“和往常一样,当我们第一次在显微镜图像中看到这种新材料时,我们感到巨大的惊喜。我们花了相当长的时间来弄清楚这个结构到底是什么。这使我们能够与由 Viera Skákalová 领导的 Danubia NanoTech 公司一起,设计出一个大规模生产这种物质的化学过程”。
    第二作者 Christoph Hofer 补充说:“我们必须使用几种电子显微镜技术,以确保我们真正看到的是铜和碘的单层,并提取三维的确切原子位置,包括我们最近开发的最新方法”。
    Kimmo Mustonen 总结道:“继二维碘化铜之后,研究人员已经将该合成方法扩展到生产其他新的二维材料。该方法似乎是真正通用的,提供了获得几十种新的二维材料的途径。这确实是一个令人兴奋的时代”。
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