科學家們正在探索人工堆疊二維 (2D) 材料的新方法，引入具有獨特物理特性的所謂 2.5D 材料。日本研究人員近日以“Science of 2.5 dimensional materials: paradigm shift of materials science toward future social innovation”為題，在?Science and Technology of Advanced Materials?上回顧了 2.5D 材料的最新進展和應用。

過去幾十年材料科學的發(fā)現(xiàn)是我們當今社會的基礎——從半導體器件的基礎到最近物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術的發(fā)展。這些材料科學的發(fā)展主要依賴于對有機分子和聚合物、無機晶體和薄膜中剛性化學鍵的控制，如共價鍵和離子鍵。最近石墨烯和其他二維(2D)材料的發(fā)現(xiàn)提供了一種通過控制它們的弱平面外范德華(vdW)相互作用來合成材料的新方法。

不同類型二維材料的人工堆疊是材料合成中的一個新概念，這種堆疊不受剛性化學鍵和晶格常數(shù)的限制。這為探索新的物理、化學和工程學提供了大量機會。vdW 堆棧的一個經(jīng)常被忽視的特性是層間定義明確的 2D 納米空間，這為新型材料的合成提供了獨特的物理現(xiàn)象和豐富的領域。將插層化合物的科學應用于2D材料，為vdW納米空間的使用提供了新的見解和期望。我們將這個新興的科學領域稱為“2.5 維 (2.5D) 材料”，以承認 2D 材料之外的重要額外自由度。

2.5D材料不僅提供了一個新的科學研究領域，而且有助于實際應用的發(fā)展，并將引領未來的社會創(chuàng)新。本文介紹了這門科學的新概念“2.5D材料”，并評述了基于這一新概念的最新研究進展。

（https://doi.org/10.1080/14686996.2022.2062576）

“2.5D 概念象征著不受二維材料研究中通常使用的組合、材料、角度和空間的限制，”日本九州大學的納米材料研究人員 Hiroki Ago 解釋說。

通過將不同的2D材料堆疊，現(xiàn)在可以創(chuàng)建具有獨特物理特性的2.5D材料，可用于太陽能電池、量子器件和能耗非常低的器件中。來源：STAM

制造2.5D材料的常用方法是化學氣相沉積（CVD），它在固體表面上沉積一層，一次沉積一個原子或分子。用于2.5D材料的常用原料包括石墨烯、六角氮化硼（hBN）和過渡金屬二鹵化物（TMDC）。

利用CVD方法，研究人員使用含較高鎳濃度的銅鎳箔作為催化劑，選擇性地合成了雙層石墨烯，這是2.5D材料的最簡單形式。鎳使碳具有高度可溶性，使研究人員能夠更好地控制石墨烯層的數(shù)量。當在雙層石墨烯上垂直施加電場時，它會形成一個帶隙，這意味著它的導電性可以實現(xiàn)開和關。這是單層石墨烯中不能觀察到的現(xiàn)象，因為單層石墨烯沒有帶隙，并且一直保持不變。通過將堆疊角度傾斜一度，科學家們發(fā)現(xiàn)這種材料變成了超導材料。

二維材料堆疊的科學重要性示意圖。(a)單層石墨烯，(b) BLG。當以相同的角度堆疊時，即AB-stacking, BLG在垂直電場的存在下顯示出帶隙開放，這對于半導體應用是很有用的。(d)當BLG以魔術角(~1.1°)扭曲時，它在低溫下變?yōu)槌瑢А?/p>

類似地，英國和美國的另一個研究小組發(fā)現(xiàn)，石墨烯和hBN層會產(chǎn)生量子霍爾效應，這是一種傳導現(xiàn)象，在磁場中可產(chǎn)生電位差。其他研究表明，堆疊TMDC會在重疊晶格圖案中捕獲激子（束縛態(tài)的電子與其相關空穴配對）。這可是它應用于信息存儲設備中。新的機器人組裝技術也使得建造更復雜的垂直結構成為可能，例如，由29層石墨烯和hBN交替組成的疊層異質結構。

其他研究利用2.5D材料層之間形成的納米空間插入分子和離子，以改善主體材料的電學、磁學和光學性能。

堆疊二維材料中的插層

例如，到目前為止，研究人員發(fā)現(xiàn)，當石墨烯插入其堆疊層之間時，它會讓氯化鐵更穩(wěn)定，而插入鋰離子會形成比在石墨中更快的擴散速率（分子在一個區(qū)域內(nèi)擴散的速度），石墨是電池中使用的電導體。這意味著這種材料可以用于高性能可充電電池。

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，在兩個石墨烯片之間插入氯化鋁分子會形成與大塊氯化鋁晶體完全不同的新晶體結構。需要進行更多的研究來理解為什么會發(fā)生這種情況，以及它可能被應用于有哪些應用中。

二維材料研究的趨勢和未來發(fā)展方向。插圖顯示了關于石墨烯、TMDCs和hBN的出版物數(shù)量(標題包含每個詞的科學論文的數(shù)量是基于ISI Web of Science數(shù)據(jù)庫計算的)。

Ago表示：“有很多機會來探索這個新的2.5D概念?！?/p>

2.5D材料的未來應用包括太陽能電池、電池、柔性器件、量子器件和能耗非常低的器件。

“2.5D材料”科學的未來前景

下一步應該于機器學習、深度學習和材料信息學協(xié)同，以便進一步推進2.5D材料的設計和合成。

文獻信息：

Hiroki Ago et al,?Science of 2.5 dimensional materials: paradigm shift of materials science toward future social innovation,?Science and Technology of Advanced Materials?(2022). ?DOI: 10.1080/14686996.2022.2062576

免責聲明 | 部分素材源自網(wǎng)絡，版權歸原作者所有。如涉侵權，請聯(lián)系我們處理。