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看二维材料王国开疆拓土 石墨烯创新高潮又来袭

时间:2015-06-24 08:57来源:中国科学报 作者:火凡
点击: 次

　　物理学家习惯使用他们所能想到的最好的词语来形容石墨烯。这丝薄的单原子厚度的碳是灵活、透明的，比钢强、比铜导电好，虽然非常薄，但它实际上是二维材料。在2004年被分离出来后不久，石墨烯就成为全世界研究人员痴迷的对象。

　　不过，对Andras Kis而言并非如此。Kis表示，与石墨烯一样不可思议的是，“我觉得必须超越碳”。因此，在2008年，当他有机会在瑞士联邦理工学院（EPFL）组建自己的纳米电子学研究团队时，Kis专注于研究一种超平材料。

　　这些材料有一个“笨拙”的名字：过渡金属硫化物（TMDC），但它们具有相当简单的二维结构。钼或钨等过渡金属原子的单排结构，夹在同样薄的硫元素层之间，例如硫和硒——在元素周期表中，它们均位于氧元素的下方。Kis表示，TMDC几乎与石墨烯同样薄、透明和灵活。“但它们莫名奇妙地就得到一个没有趣的名声，我认为它们应该有第二次机会。”

　　他是对的。很快，研究人员发现，不同基础成分搭配制成的TMDC具有大范围的电子和光学特性。例如，与石墨烯不同，许多TMDC是半导体，这意味着它们有潜力被制成分子级别的数字处理器，并比硅更加节能。

　　在几年中，全世界大量实验室已经加入了追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，变成了二维材料王国。”Kis说。从2008年的零星出版，到现在每天6篇出版物问世，二维TMDC不断发展。物理学家认为可能有约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料。“如果你想要一个给定属性的二维材料，那么你将能找到一个。”爱尔兰都柏林三一学院物理学家Jonathan Coleman说。

　　“每一个都像乐高积木，如果你将它们拼在一起，或许就能做出一个全新的东西。”Kis说。

　　平面大冒险

　　仅几个原子厚度的材料，就能有非常不同的基本特性。“即便块体材料乏善可陈，但如果你能将它变为二维形式，它会打开新的大门。”中国复旦大学实验凝聚态物理学家张远波说。

　　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，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�；静街枋牵谑∑习囱挂惶踅捍�，然后将胶带撕下，胶带上就残留有一些原子厚度的薄层。通过重复该过程，他们最终得到了单原子层，于是Geim和Novoselov得以开始研究石墨烯的特性。该研究获得2010年诺贝尔物理学奖。

　　物理学家很快开发出该物质的许多应用特性，从制作可弯曲屏幕到能源储存。但不幸的是，石墨烯并不适用于数字电子学领域。而对于这一领域而言，理想材料是半导体。

　　不过，Geim和Novoselov在制作石墨烯方面获得的成功激励了其他研究人员。Kis等人开始探索可替代的二维材料。于是，他们瞄准了TMDC。到2010年，Kis团队利用TMDC二硫化钼制出了首个单层晶体管，并预测有一天这些设备能提供柔性电子。2010年的诸多研究显示，二硫化钼能有效吸收和发射光，使其有望用于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表示，单层TMDC能捕获超过10%的摄入光子，这对于3个原子厚度的材料而言是一个不可思议的数字。这也帮助他们解决了另一个问题：将光转化为电。当光子撞到这个三层晶体管上时，能推动电子穿越能隙，并允许其穿过一个外部电路。每个自由电子会在该晶体中留下一个真空区，这里是电子本来的位置—— 一个带正电荷的洞。加上电压后，这些洞和电子会向不同的方向循环，从而产生一个电流净流。

　　该过程还能被逆转，即将电转化为光。如果电子和真空洞被从一个外部环路注入TMDC，当它们相遇时就会再次组合然后释放光子。这种光电相互转化的能力使得TMDC有望被用于利用光传输信息、用作微小的低功率光源，甚至激光。
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