刘忠范院士及香港城市大学张华教授等人综述: 二维材料最新进展
发布时间:2021-10-16 来源:北大化学
主要亮点
研究背景:意义、现状
核心内容
合成方法
如何高效获取高质量的二维材料,是二维材料研究探索中的基石。机械剥离法、液相剥离法、气相合成法以及化学合成法是目前制备二维材料的常见方法,不同的方法具有各自的优势和适用场景。
纳米材料相工程
纳米材料相工程 (PEN) 的概念侧重于不同的原子排列对纳米材料的物理化学性质的显着影响,以及该种影响与独特性质乃至特殊应用的结合。相工程已逐渐成为在光子学、电子学、凝聚态物质和能源应用等众多研究领域的应用中设计纳米材料的性质和性能的强大策略。目前,相工程的概念深深植根于二维材料,在TMDs、贵金属、金属氧化物、MOFs、COFs和钙钛矿等材料中都显示出诸多发展。此外,现有研究表明,缺乏长程原子排序的非晶二维材料在许多能源应用中表现出性能增强的特性,这将是相工程全新的发展方向。
图2. 激光诱导顶层MoTe2相变示意图
二维材料的特殊性质
由于二维材料具有原子级的厚度,载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内,因而在与光电作用时会表现出不寻常的结果,而不同的二维材料晶体结构差异性进一步导致了独特的电学特性/光学特性。其中值得关注的研究方向包括:
1.
光学特性,包括光吸收、反射、散射、发射、光物质强耦合和激子极化,非线性光学特性等;
2.
磁性;
3.
热电特性;
4.
铁磁特性;
5.
超导电性;
6.
魔角二维超晶格;
7.
手性。
二维材料的不同特性将使得其在不同应用领域获得令人惊叹的效果。
二维材料的潜在应用
理论计算和模拟
在实验研究的同时,计算模拟策略如DFT计算,分子动力学(MD)模拟,蒙特卡罗(MC)方法,机器学习(ML)算法等也为二维材料的快速发展提供了坚实的理论基础,使得二维材料在生长机理、稳定性、性能和应用等各个方面都取得了非凡的进展。例如通过揭示二维材料自下而上生长的机理,特别是基材对生长过程的影响,来提出更为普适的合成方法;计算二维材料表面的活性,有助于确定其稳定性、性能和某些应用的关键因素,以辅助提出相应的改进策略;对二维磁性材料丰富的磁性、电子和光学性质进行理论计算与模拟,来提出新的磁电和磁光应用。
本综述总结了过去五年在二维材料领域的重要进展,具体到以下几个部分:合成方法、性质、潜在应用和理论计算/模拟。虽然进展显著,但仍存在以下诸多挑战:
最大的挑战之一是如何以高度可控的方式合成二维材料,并使其具有所需的结构特点;
如何实现二维材料的大规模生产或高质量的晶圆级级生长,以供实际应用;
如何避免二维材料在应用中的堆积、聚集所导致的性能退化;
诚然二维材料在某种程度上会优于硅,目前更为实际的目标是把二维材料和硅结合,而不是去取代硅,因此第四个挑战是如何使二维材料的加工工艺与目前的硅半导体生产技术兼容;
在光电子应用中,合成窄带隙二维材料用于长波红外探测器则是另一个巨大挑战;
在催化领域,二维材料容易存在催化稳定性不理想的现象,因而提高催化剂的催化稳定性/循环使用寿命则是需要攻克的第六个难关;
如何理解和控制储能机理,实现长期的电化学稳定性;
在二维材料太阳能电池应用中消除非辐射电荷重组的同时产生协同效应,并与相邻层产生良好的相容性;
在二维材料生物学应用中,如何精确地设计二维材料的结构和组成用于特定的生物学应用;
在二维材料传感平台应用中,如何了解目标分子与二维材料之间的相互作用机制;
在二维材料柔性电子学中,如何实现二维材料与基材之间的加工兼容性;
对于二维材料在环境中的应用,则是如何减少操作过程中的干扰,如膨胀、污垢和降解,以保持二维材料在实际应用中的长期稳定性。
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相关拓展
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