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石墨烯層和六方氮化硼層互相堆疊形成超晶格后產(chǎn)生特殊效應(yīng)

信息來源：本站 | 發(fā)布日期： 2021-06-18 07:55:36 | 瀏覽量：943957

摘要：

2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Kostya S. Novoselov教授繼2021年第1期在Nano Materials Science（簡(jiǎn)稱NMS）合作發(fā)文后，近日再次在NMS發(fā)表綜述論文《石墨烯及其他二維材料的最新進(jìn)展》，詳細(xì)總結(jié)石墨烯及其他各類二維材料的最新研究進(jìn)展。石墨烯是指以正六邊形排列的碳原子單…

2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Kostya S. Novoselov教授繼2021年第1期在Nano Materials Science（簡(jiǎn)稱NMS）合作發(fā)文后，近日再次在NMS發(fā)表綜述論文《石墨烯及其他二維材料的最新進(jìn)展》，詳細(xì)總結(jié)石墨烯及其他各類二維材料的最新研究進(jìn)展。
石墨烯是指以正六邊形排列的碳原子單層。石墨烯于2004年首次被發(fā)現(xiàn)，它的分離和隨后的研究表明，取得原子級(jí)厚度的晶體片（也即二維材料，2D材料）是可行的。在目前發(fā)現(xiàn)的5600中層狀化合物中，大約有188多種很容易或很可能被剝離。二維材料的大家族因此涵蓋了極其廣泛的特性，他們甚至可以進(jìn)一步組合，將不同的二維晶體堆疊在一起，可以形成范德華異質(zhì)結(jié)，或具有不同取向的晶體，從而產(chǎn)生新的物理效應(yīng)，制造具備新功能的器件。
研究發(fā)現(xiàn)，使用六方氮化硼（hBN）作為石墨烯和其他二維材料的襯底顯著提高了具襯底石墨烯器件的質(zhì)量，使得堆疊不同的原子級(jí)薄層晶體來創(chuàng)造新的異質(zhì)結(jié)材料。研究表明，封裝在六方氮化硼中的石墨烯樣品中，電子可以表現(xiàn)得像高粘性流體，并表現(xiàn)出類似于經(jīng)典液體的流體動(dòng)力學(xué)行為；而石墨烯電子樣品電阻在低溫下表現(xiàn)出類似絕緣體特性。
石墨烯層和六方氮化硼層互相堆疊形成超晶格后產(chǎn)生的一系列特殊效應(yīng)，包括產(chǎn)生周期性莫爾云紋（morié patten），在兩者封裝后的器件中，還出現(xiàn)遠(yuǎn)高于室溫的傳輸特性中觀察量子磁振蕩——Brown-Zak振蕩。最近，在高磁場(chǎng)下基于石墨烯的超晶格中提出了一種名為Brown-Zak費(fèi)米子的新準(zhǔn)粒子家族。處于特定磁場(chǎng)值下的Brown-Zak費(fèi)米子不同于石墨烯中的普通電子，不會(huì)受到磁場(chǎng)的影響。
最近的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，兩層石墨烯堆疊在一起時(shí)，小扭曲角接近理論預(yù)測(cè)的“魔角”值約1.05時(shí)，通過柵極電壓的微小變化改變扭曲雙層石墨烯(TBG)的靜電摻雜，改變電荷載流子密度，實(shí)現(xiàn)了非常規(guī)超導(dǎo)。
使用掃描隧道顯微鏡的探針尖，通過操縱大量的氫原子定位吸附在石墨烯上的氫原子，在選定的石墨烯區(qū)域中誘導(dǎo)和調(diào)整磁性，可以構(gòu)建單獨(dú)的納米結(jié)構(gòu)，以這種方式非常有效地限制石墨烯狄拉克準(zhǔn)粒子。還有研究已經(jīng)表明，可以使用自下而上的方法控制石墨烯的合成，從而制備出含有序陣列孔的納米多孔石墨烯帶。
石墨烯及氧化石墨烯（GO）膜被認(rèn)為對(duì)除氫氣之外的所有氣體和液體都是不可滲透的，該原理以被用于催化區(qū)氫氣分子的脫除。
石墨烯和其他單層二維材料（如六方氮化硼和云母）在熱激活作用下穿透電子云，可用于篩選氫同位素或提高燃料電池的性能。
TMD家族為MX2類型的過渡金屬二硫?qū)倩?，其中M代表過渡金屬原子（Mo、W等），X是硫?qū)僭卦樱⊿、Se或Te）。其表現(xiàn)出多種化學(xué)性質(zhì)，并具有從金屬性到絕緣的可調(diào)電特性，具體取決于它們的成分、晶體對(duì)稱性和層數(shù)。已有很多光電子學(xué)、納米光子學(xué)、催化、能量存儲(chǔ)或納米傳感器等的研究。
電學(xué)性質(zhì)：多層TMDs在通常條件下是半導(dǎo)體。MoS2粉體呈現(xiàn)出約1.2 eV 的間接能隙。隨著厚度的減小，間接能隙逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧s1.8 eV，在單層中表現(xiàn)出從間接間隙到直接間隙的交叉。使用不同方法制造的單層MoS2晶體管在室溫下顯示出高遷移率和高開關(guān)比。此外，由于在硅基器件中制造超窄通道會(huì)隨著短溝道效應(yīng)的出現(xiàn)而成為問題，二維半導(dǎo)體材料已被證明可以克服這個(gè)問題：由于它們天然超薄、原子級(jí)平坦且沒有表面懸空鍵，所有的電子被限制在原子級(jí)薄通道中，因此幾乎消除了泄露電流。在單層極限下，MoS2和其他一些TMD具有直接帶隙，使它們成為有前途的光電子材料和納米光子學(xué)材料。
光學(xué)性質(zhì)：已經(jīng)觀察到可以在此類材料，例如WSe2中形成可調(diào)單光子發(fā)射器，并且最近已有研究表明可以通過調(diào)控離子轟擊，在單層MoS2中產(chǎn)生缺陷，從而制備選擇性單光子發(fā)射器。此外，在TMD中還觀察到其他激子準(zhǔn)粒子的存在，如Trion和雙激子。
機(jī)械性能：MoS2可高達(dá)11%的應(yīng)變加上可調(diào)的帶隙，使其成為柔性器件和應(yīng)變工程應(yīng)用的非常合適的材料。它已經(jīng)開始用于制造光電器件，例如寬帶柔性光電探測(cè)器或光調(diào)制器等。
壓電性：如果層數(shù)是奇數(shù)，MoS2呈現(xiàn)破壞的反轉(zhuǎn)對(duì)稱性，其結(jié)構(gòu)變得非中心對(duì)稱，因此產(chǎn)生壓電性，將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電荷，開辟了基于此的MoS2自供電設(shè)備前景。在發(fā)電方面，單層MoS2的納米孔可以用作滲透發(fā)電機(jī)，當(dāng)存在足以為單層MoS2晶體管提供自供電的鹽梯度時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流。
六方氮化硼一種寬禁帶（~6 eV）層狀材料，其晶格常數(shù)與石墨相似，原子級(jí)平坦的表面沒有懸空鍵。
電學(xué)與力學(xué)性能：六方氮化硼在空氣中可在700℃高溫下仍保持未氧化的狀態(tài)，同時(shí)它還是最強(qiáng)的電絕緣材料之一，其楊氏模量與石墨烯相當(dāng)，并且還具有高斷裂強(qiáng)度。光學(xué)性能：它在中紅外范圍是一種天然的雙曲材料，幾乎沒有替代品。由于其在紫外區(qū)的直接帶隙，它也是一種很有前途的紫外發(fā)射材料。二維六方氮化硼也被證明在室溫下具有明亮、極化度好和穩(wěn)定的單光子發(fā)射性能。
壓電特性：六方氮化硼層數(shù)為奇數(shù)時(shí)，其反轉(zhuǎn)對(duì)稱性被破壞，因此預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生壓電特性。六方氮化硼還具有鐵電性，硼和氮原子在相鄰層的面外方向排列，稱為AA' 堆疊。通過以小扭轉(zhuǎn)角堆疊兩個(gè)六方氮化硼晶體，晶體界面處的原子可以產(chǎn)生AB（Bernal）堆疊，即可觀察到室溫下的高表面電勢(shì)。
其他二維材料另外一個(gè)二維材料分值為MXene，通式為Mn+1XnTx，其中M是前周期過渡金屬，如Ti、Mo、Nb、V、Cr、Zr、Ta等，X是碳和/或氮，n =1~4，Tx代表表面官能團(tuán)。Mxene有許多可能的成分和可調(diào)特性，使其可能被應(yīng)用與包括儲(chǔ)能、光電子或催化等諸多領(lǐng)域。
光電和電子特性：如硒化銦（InSe），它有高載流子遷移率、厚度相關(guān)帶隙和異常光學(xué)響應(yīng)。此外還有三氧化鉬（α-MoO3），一種天然雙軸雙曲晶體，它存在受限的各向異性和超低損耗極化子。還有二維層狀混合鹵化鉛鈣鈦礦半導(dǎo)體等。
磁性或超導(dǎo)性：?jiǎn)螌佣S材料（如NiPS3、FePS3和CrSiTe3）中在實(shí)驗(yàn)中被間接證明磁性有序。對(duì)其他二維化合物在室溫下的磁力學(xué)研究都已展開，如Cr2Ge2Te6等。本征超導(dǎo)二維材料，如NbSe2等被認(rèn)為可以幫助探索新量子物理和應(yīng)用于高溫超導(dǎo)。電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)：扭曲電子學(xué)和莫爾材料的研究為某些二維材料帶來可調(diào)的電學(xué)與光學(xué)性質(zhì)，例如MoS2/MoSe2等。還有研究表明，NbSe2可以集成到墨水中，用于制造晶圓級(jí)超導(dǎo)器件。
應(yīng)變電子學(xué)：例如新型應(yīng)變可調(diào)單層MoS2光電探測(cè)器，又如在室溫下，沒有電門控、非均勻應(yīng)變下，激子在WS2中轉(zhuǎn)化為Trion的效率高達(dá)100%。二維層狀材料的對(duì)稱性破壞也可以調(diào)整它的物理特性。
近些年還發(fā)現(xiàn)了諸多各具特色的二維材料。包括使用常規(guī)方法（機(jī)械剝離、化學(xué)氣相沉積或分子外延生長(zhǎng)法）獲得的其他單元素二維材料，例如硼烯、硅烯、鍺烯、錫烯、鉛烯和VA族二維半導(dǎo)體等。還有具備有趣的結(jié)構(gòu)和特殊的電子特性磷烯、銻烯和鉍烯。特別是磷烯（一種單層黑磷），由于其直接帶隙、高載流子遷移率和光電特性等，最近成為許多研究的主題。計(jì)算材料學(xué)的發(fā)展為預(yù)測(cè)二維材料的性質(zhì)提供了可能，也會(huì)帶來更多發(fā)現(xiàn)。
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2020年9月，重慶大學(xué)航空航天學(xué)院黃培博士、付紹云教授等聯(lián)合曼徹斯特大學(xué)諾獎(jiǎng)獲得者Kostya S. Novoselov教授以“Graphene Film for Thermal Management: A Review”為題在NMS發(fā)表論文，綜述了基于氧化石墨烯制備柔性石墨烯導(dǎo)熱薄膜的最新進(jìn)展，該綜述主要圍繞石墨烯薄膜的制備、性能以及應(yīng)用和展望展開。
參考文獻(xiàn)Pei Huang, Yao Li, Gang Yang, Zheng-Xin Li, Yuan-Qing Li, Ning Hu, Shao-Yun Fu, Kostya S. Novoselov, Graphene film for thermal management: A review, Nano Materials Science, 2020.DOI：10.1016/j.nanoms.2020.09.001https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589965120300520
Nano Materials Science
NMS于2019年3月正式創(chuàng)刊（季刊），由重慶大學(xué)主辦，科愛公司出版，愛思唯爾ScienceDirect數(shù)據(jù)庫全文OA開放獲取，香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士任主編，21個(gè)國家118位專家任編委。重點(diǎn)關(guān)注納米結(jié)構(gòu)材料和納米功能材料的制備與加工、材料基因表征、材料性能評(píng)價(jià)及應(yīng)用，以及納米器件的設(shè)計(jì)、制備、評(píng)價(jià)及應(yīng)用等方面最新研究成果。

截至2021年4月，NMS已出版9期，報(bào)道了大量原創(chuàng)性研究成果，包括諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Konstantin Novoselov院士、呂堅(jiān)院士、Ruslan Z Valiev院士、盧柯院士、成會(huì)明院士、Oliver G. Schmidt院士，孫陸逸教授（美國康涅狄格大學(xué)）、呂力教授（新加坡國立大學(xué)）、Zhao Huijun（澳大利亞格里菲斯大學(xué)）、Madhavi Srinivasan教授（新加坡南洋理工大學(xué)）、Andres Castellanos-Gomez（西班牙馬德里材料科學(xué)研究所）、郭少軍研究員（北京大學(xué)）、張強(qiáng)教授（清華大學(xué)）、彭章泉研究員（中科院應(yīng)化所）、劉天西教授（東華大學(xué)），以及重慶大學(xué)胡寧教授、付紹云教授、黃曉旭教授、魏子棟教授、張育新教授等團(tuán)隊(duì)成果。

NMS總下載31萬余次（至2021-04），被85個(gè)國家、418種SCIE期刊引用報(bào)道，篇均被引11.4次，2021年即時(shí)影響因子4.677（至2021-06-16）。
NMS已入選Scopus、CAS 、DOAJ、INSPE數(shù)據(jù)庫，也是CSCD核心刊源。獲得重慶市出版專項(xiàng)資金資助，獲評(píng)為中國高校優(yōu)秀科技期刊、重慶市高校學(xué)術(shù)名刊、科愛出版公司新刊獎(jiǎng)等。

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