二維材料器件青年學者
——浙江大學徐楊教授訪談

《物理化學學報》編輯部

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

本期人物訪談，我們對話的是二維材料及器件特刊客座編輯、浙江大學徐楊教授。

在訪談中，徐老師給我們介紹了二維材料的發展歷程、獨特性質、潛在應用、發展趨勢。并且給有志于從事二維材料研究的青年學生提出了非常中肯的建議，希望能對大家有所啟示。

問題1：二維材料有無明確的科學定義？

回答：關于二維材料，沒有絕對明確的科學定義，但科學界普遍認同的概念是指電子僅可在兩個維度，大概一到幾十納米平面內可自由運動的材料。

在石墨烯發現之前，二維納米結構主要是IIIV族的量子阱。通過分子束外延(MBE)技術選擇晶格匹配的兩種化合物半導體材料，控制外延層的厚度在納米量級獲得二維電子勢阱。

近年來提出的二維材料的概念，是從2004年曼切斯特大學Geim小組成功分離出單原子層0.34 nm的石墨烯而出現的。大多數科學家對二維材料的厚度并沒有嚴格的規定，主要還是以和三維體材料在性能上的不同加以區分。

問題2：二維材料是如何被發現的？

回答：最開始理論物理認為單層石墨(石墨烯)是不可能在現實中獨立存在的。于是2004曼切斯特大學Geim小組想將石墨磨至只剩10-100層厚，然后研究它的性質。但當時只磨出大約1000層厚的石墨細片，距離目標差一點。于是他們利用透明膠帶將它的上層剝下，薄片便會剝黏在膠帶上。重復數次相同的過程，膠帶上就黏著越來越薄的石墨薄片。2004年10月，Geim在Science雜志發表了一篇題為Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films的論文，宣布制備出石墨烯片，之后二維材料被廣泛關注，持續至今。

問題3：科學家為何對二維材料產生了濃厚的興趣？

回答：二維材料因其特殊的物理特性而引起廣泛的關注，不同應用中的關鍵特性都被很大程度地提升。二維材料獨特的光電特性或許會在高效，寬帶、柔性、透明、低功耗等方面的新一代的器件發揮獨特作用，因此促使了大量相關的研究。

此外從絕緣體氮化硼，半導體過渡金屬硫化物，到金屬特性的石墨烯，它們各種堆疊和排列的組合，展示了二維材料特性的多樣性，或許會帶來科學上的重要發現。

問題4：二維材料發展歷程中，有哪些里程碑式的發現？

回答：里程碑式的物理發現，以石墨烯為例主要體現在：(1)在發現石墨烯以前，大多數物理學家認為，熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在，但是單層石墨烯能夠在實驗中被制備出來，所以它的發現立即震撼了凝聚體物理學學術界。(2)石墨烯中電子和空穴載流子的半整數量子霍爾效應在室溫下就通過電場作用改變化學勢觀察到。(3)石墨烯中的載流子在碰到雜質時一般不會產生背散射，石墨烯具有局域超強導電性以及很高的載流子遷移率。

問題5：您預計未來會發現哪些新的二維材料？

回答：Drexel大學的Yury Gogotsi教授說過：“一個50歲的科學家在實驗室玩新玩具和一個5歲小孩在家里玩新玩具的樂趣沒什么不一樣，二維材料就是我的新玩具！”在石墨烯之外，目前在二維材料發展了幾大體系，比如：TMDs、MXenes、2D Organic materials、BP、硅烯、鍺烯、Nitrides和二維鈣鈦礦等等。未來還有可能制備出更多新的二維材料。

問題6：二維材料有哪些應用實例？在哪些領域有開拓性的應用？

回答：二維材料是當下的前沿領域之一，涵蓋了印刷電子、柔性電子、超級電容、太陽能電池、量子點、傳感器、光電探測器、半導體制造等，具有優異的機械、熱學、光學特性，是這些領域實現顛覆式創新的基礎。

問題7：目前二維材料發展的最大的挑戰有哪些？

回答：雖然二維材料的性質探索、制備表征和器件應用都已有較好的發展，但距離其產業化應用還較遠。在大面積高質量材料及其特定復合結構的可控制備、低能耗高集成度器件的結構設計、大規模材料器件印刷技術，與傳統材料產業鏈的結合等方面還有巨大的挑戰。此外，二維材料家族中仍有不少材料尚未被制得，其物理、化學性質有待揭示。

問題8：二維材料發展和應用對普通人的生活會有哪些影響？

回答：如今，二維材料研究在諸如：自旋電子、印刷電子、柔性電子、微電子、存儲器、處理器、超透鏡、太赫茲、超級電容、太陽能電池、防偽標簽、量子點、傳感器、探測器、半導體制造、NFC、醫療等領域開展了廣泛的基礎研究。但目前市場上，還沒有看到大規模相關的日常生活產品。二維材料與器件的應用還有很多挑戰和困難，希望能在不久的將來“飛入平常百姓家”。

問題9：您對準備從事二維材料研究的年輕學生有何建議？

回答：Geim在發現石墨烯獲得諾貝爾獎之前，于1997年使用磁場讓一只青蛙漂浮升空，登上報紙頭版頭條，于2000年獲得搞笑諾貝爾獎。他曾和他的倉鼠寵物共同發表一篇論文《探測地球自轉的反磁性懸浮回轉儀》。2007年，他的實驗室開發出一種仿照壁虎黏性腳墊的微制造黏著劑。Geim擅長尋找古怪但有重要性的研究題目，所以未來準備從事二維材料研究的年輕學生應該學習Geim的這種打破常規的思維方式，敢于探索關鍵科學問題的精神。

問題10：您可否預測一下二維材料未來的發展趨勢？

回答：未來二維材料可在調控催化和電學性能、光電器件性能的提升、可穿戴智能器件、柔性電子、儲能器件等方面有更多的提升空間。對二維材料的工藝流程，諸如互連接觸、摻雜、柵極加工、圖形化及其刻蝕、系統集成等方面的問題都需要解決。這些將實驗室的概念器件推向大規模生產制造，還有很多重大困難需要突破，才有可能使得二維材料進入產業化發展。