📲 🤱🏾 📗 专家意见：二维材料及其性质和前景 📛 ⏯️ 🥖

今天，我们决定向您介绍独特的二维材料（石墨烯，氮化硼等），其性质和研究前景，并为此获得了2010年诺贝尔奖。
要求为我们在GT上的企业博客写文章时，我们求助了最有才华的年轻科学家之一，无机纳米材料实验室的首席研究员，物理和数学科学博士Pavel Borisovich Sorokin。在实验室里，一周前，在首席科学家德米特里·戈尔伯格（Dmitry Golberg）的领导下，第一个频道发布了一份小报告Pavel正在研究用各种纳米结构硬化的新一代复合材料。尽管年仅33岁，但帕维尔·鲍里索维奇·索罗金（ Pavel Borisovich Sorokin）已经获得了国际科学界的认可，当然，他是该领域的专家，国际研究的经验证明了这一点。帕维尔是赢家的欧洲学会俄罗斯俱乐部奖的青年科学家在物理学中，赢家SCOPUS奖俄罗斯2015年及以上的作者60个出版物在国际期刊上，如自然物理学，自然通讯，纳米快报，ACS纳米，J.物理化学来吧等等。

Sorokin P.工作的重要部分致力于二维纳米结构材料科学的快速发展领域，起源于石墨烯（第一块单原子膜）的生产和研究。石墨烯的有趣特性使我们可以将其视为未来纳米电子学的基础。

一张二维石墨烯的示例（插图性质）。

Pavel Borisovich Sorokin
博士物理和数学科学
实验室“无机纳米材料” NUST“ MISiS”实验室的首席研究员

二维薄膜和基于它们的材料是现代材料科学快速发展的主题之一。全世界有数百个科学团体在这个领域工作（包括我领导下的NUST“ MISiS”团队），每年有数十次会议专门为他们服务，并且为研究拨款了很多钱。问题是自然的-为什么二维电影如此有趣？在本文中，我将尝试简要回答这个问题，并对本科学领域的发展前景发表我的看法。

图。1. 二维结构 a）NbSe2 b）石墨c）Bi2Sr2CaCu2Ox，d）MoS2。规模：1微米。图像a和b使用原子力显微镜获得，c使用扫描隧道显微镜，d使用光学显微镜获得。

这一切都在2004年开始在科学文章科学和PNAS，其中作者报道从各种层状晶体原子厚度的各个层的成功分离（参见图1） 。这些作品标志着现代材料科学新时代的开始，其主要作者K.S. Novoselov和A.K.游戏 （英国曼彻斯特大学）最终分享了诺贝尔奖。首先，由Game领导的团队专注于研究碳单层-石墨烯。在这种材料中发现了许多新的物理效应-这可以从致力于石墨烯研究的文章数量的快速增长中看出，如果2004年有20篇，那么仅2014年就出版了10,000多个作品。但是，除了石墨烯外，还有大量其他的二维薄膜，其研究尚未开始-根本没有足够的强度。

图。2.标题中带有“石墨烯”一词的出版物数量（根据WoS，截至2015年9月）

石墨烯具有出色的机械刚度和高导热性，并且电荷载流子迁移率的记录值使其成为一种有前途的材料，可广泛用于各种应用中，尤其是作为电子的未来基础。石墨烯具有一个独特的特征-电荷载体（电子和空穴）的能量与准动量呈线性关系。在自然界中，有些粒子的能量也线性取决于动量-这些粒子是光子。光子的静止质量为零，其速度等于光速。因此，已经发展起来的用于描述相对论粒子的数学装置可用于描述石墨烯中电子和空穴的行为，这立即导致了M.I.的以下显着发现。 Katznelson- 石墨烯中的克莱因悖论。当考虑相对论粒子穿透高势垒的问题时，就会出现这种悖论。对于石墨烯的情况，表明当电子或空穴通常入射在石墨烯上时，石墨烯中的任何势垒都是透明的。一个重要的结果是难以将载流子定位在石墨烯中。

除了出色的电子性能外，石墨烯还具有令人印象深刻的机械性能。石墨烯中碳原子之间的强共价键使之成为人类有史以来最耐用的材料。。石墨烯的纵向弹性常数大大超过了以前的记录保持器-金刚石的相似值。石墨烯的强度应使其理论上的米长片能够容纳四公斤的猫。同时，薄膜本身很轻，一克石墨烯可以覆盖一个足球场！

许多技术公司对这种惊人的材料产生了兴趣，专门研究石墨烯的整个研究所开始出现在世界不同国家，并且自2013年以来，在欧洲实施了大规模的石墨烯旗舰计划价值十亿欧元，旨在研究石墨烯在人类活动各个领域的使用。最初，石墨烯似乎将引发从电子到复合材料的各个领域的科学技术革命。以下是K.S. 撰写的一篇文章中有关石墨烯上器件引入的预测。 Novoselova。他认为，最可能的应用是触摸屏，电子纸或有机发光二极管的基础。晶体管和基于它的其他逻辑器件预计仅在10到20年内出现。

为什么石墨烯难以使用？与已知的半导体材料（硅，金刚石或砷化镓）相比，其中的载流子具有更大的迁移率。这意味着基于石墨烯的设备必须具有破纪录的特性。然而，石墨烯的半金属特性以及克莱因悖论阻碍了其在半导体电子学中的直接应用。已经进行了许多尝试以将石墨烯转变为常规半导体的工作，但是这导致其石墨烯的传输性能显着降低-载流子的迁移率下降，这剥夺了该材料的主要优势。

但是，石墨烯的这些特征并不意味着它没有应用前景。例如，这种材料可用作极高灵敏度的传感器-它可以检测单个分子。石墨烯的高电导率使其可以用作导电油墨的基础，并且透明性（石墨烯仅吸收2％的光）和薄膜的柔韧性使石墨烯成为理想的透明导电电极，它将创造出新一代的触摸屏。现在，这些设备的基础是氧化铟锡，不适用于柔性显示器。这就需要创建宏观生产石墨烯的方法，这是由三星和索尼两家巨头决定的。三星还宣布成功测试了柔性触摸屏原型石墨烯基。尽管所获得的石墨烯片具有多晶结构（由化学键连接以形成一维界面的单个石墨烯片段组成）的事实，但事实证明其导电特性对于生产中的使用是完全可接受的。

触摸屏石墨烯：莱斯大学，然后是 视频（英语）

其他二维材料也吸引了研究人员的注意力。首先，氮化硼是等电子的（每个分子具有相同的电子数量）和等结构的碳类似物，它很有趣：它也具有类金刚石相和石墨相，甚至还有一个卡宾相（氮和硼原子交替的原子链）。还存在氮化硼纳米管；因此，成功获得二维BN膜也就不足为奇了。与石墨烯不同，氮化硼是一种电介质；它只能用作绝缘体。

研究人员也将注意力转移到过渡金属二卤化物上。具有化学组成MX2，其中M是过渡金属（例如Mo，W，V等），X是硫属元素（硫，硒或碲）。这是一大类材料，大多数具有分层的相，可以将其分为二维层。但是，与石墨烯和氮化硼不同，过渡金属二硫化物的单独层是化学结合到中间金属层的两个硫属化物层的“三明治”。过渡金属的双硫属元素化物可以根据化学成分同时具有金属和半导体特性。这引起了对这些材料的极大兴趣：例如，基于MoS2创建了纳米晶体管的原型，光电存储器的元件以及各种传感器。在这种情况下，该材料的电荷载流子的迁移率仍显着低于石墨烯的迁移率。所以，理论上的估计值使我们可以说出400 cm2 / V.sec（在室温下），而在实验中有可能获得比其小几十倍的值。这低于硅（100 cm2 / V.sec），并且显着低于石墨烯（> 10000 cm2 / V.sec）。但是，对这些结构的研究远未完成。当然，过渡金属二卤化物具有令人感兴趣的电子和磁性性质，尚待研究。过渡金属二卤化物具有令人感兴趣的电子和磁性，尚待研究。过渡金属二卤化物具有令人感兴趣的电子和磁性，尚待研究。

二维胶片的多样性使基于其创建异质结构的问题变得自然。例如，如果氮化硼和石墨烯在平面中结合，则可以获得具有交替的导电和非导电区域的膜。这在许多研究中成功进行，获得了同时包含h-BN和石墨烯两相的二维结构，见图

获得准二维异质结构（几张各种成分的薄片的组合）也很有趣。现在，这个方向正在积极发展中，并且已经获得了最初的结果-例如，在Novosyolov组中，获得了一种材料，该材料由石墨烯（起提供电流的电极的作用），氮化硼（起隧道势垒的作用）和过渡金属二卤化物的总数层从10到40。这种异质结构能够在电流通过时从整个表面发光，也就是说，它是一种超薄，超柔韧性的LED。重要的是要注意，异质结构的性质完全取决于二维层的类型和排列。

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所有这些结果表明二维材料领域的快速发展。在最近举行的GrapITA'2015大会上，几家公司展示了基于石墨烯的复合材料和器件。各种不同的原型表明，该地区的发展取决于技术应用。但是，这并不意味着二维结构的基础研究已经完成，庞大的二维胶片家族仍然拥有许多秘密和潜在的应用。

图。4.在GrapITA'2015上的石墨烯工厂展位。

专家意见：二维材料及其性质和前景

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