3D和三維一直是二十一世紀以來的熱門詞匯，例如3D電影，3D打印等。在這些行業中，三維不但意味著更好的視覺效果，還意味著更高的技術水平，然而對于某些領域來說，事情卻不是這樣。

　　

　　在兩千多年前，哲學家就曾對物質本源的問題，產生過激烈的討論。原子派認為物質在無限分割之后，最終會小到無法分割。所以他們把組成的物質稱為原子，寓意為「不可分割」。

　　

　　隨著時間的流逝，雖然現代依然沿用了原始的詞匯「原子」，但是其不可分割的本意早已名存實亡?？茖W家在近百年通過利用物理的手段證明原子是可以分割的。原子的定義變成了保持化學性質的最小單位。

　　

　　即便原子是可以分割的，但最大的原子仍然達不到肉眼可見的程度，可以說人們目前能夠看到的物質都是由原子三維堆疊而成的。如果能把原子平鋪為一層，那么這種物質也就是當之無愧的二維材料。

　　

　　在對原子有了一定認識之后，研究人員在嘗試了各種形式的材料，在理論上證明二維材料是最薄的材料，并認為這種材料不會穩定存在。所以沒有人把這類物質放在心上。

　　

　　2004年石墨烯的發現徹底改變了人們原本的看法，以原子組成的二維材料成功的登上了歷史的舞臺?？茖W界對石墨烯的關注熱情也逐漸拓展到了其他的二維材料上，越來越多的二維材料被發現并研究。

　　

　　本文將會帶大家了解目前比較出名的二維材料，體會微觀材料的魅力與前景。

　　

　　石墨烯

　　

　　石墨烯是2004年首次被分離出來的二維材料，承擔了很多第一的稱號。它是由碳原子組成的蜂窩狀結構的二維材料，和其他類型的材料相比，展示出了眾多的優點。但是最重要的一點，就是它引發了人們對二維材料研發的興趣。
 

　　
 

　　石墨烯有很多讓人驚訝的特點，在極低溫度下，電子在石墨烯中的傳輸速度比硅快100倍；擁有非常出色的導熱能力；可見光透過率高；強度極高，是鋼鐵的一百倍；原子層只允許水分子通過。這一系列特點，讓石墨烯在各個領域大展拳腳。

　　

　　半導體廠商可以用石墨烯來覆蓋整個芯片并快速構造射頻晶體管，但是使用石墨烯作出邏輯電路是非常困難的。因為硅和其他半導體材料的特點之一就是具有帶隙，他們的原子會束縛電子，直到電子接受到足夠的能量之后才可以在材料上自由移動。而石墨烯沒有帶隙，無法選擇開或者關的狀態。但是也有辦法來誘導石墨烯產生一個帶隙，例如在石墨烯之上再疊一層石墨烯，或者在材料上切割一條納米帶，都可以產生帶隙。但是這些改性方法都會降低電子在石墨烯中的運動速度。

　　

　　再加上石墨烯在超級電容器、海水過濾、透明電極等方面同樣具有應用潛力，歐盟委員會宣布：在今年年初他們將會在石墨烯的研發上投入10億歐元的資金。同時，國內對石墨烯的熱度也在不停地提高。

　　

　　黑磷

　　

　　黑磷作為一種新生的二維材料，其光電和能帶的特性贏得了研究人員的廣泛關注。
 

　　

　　在用膠帶剝離石墨烯的啟發后，研究人員也嘗試用膠帶剝離單層的黑磷。而在14年，部分研究人員改進了制造方式，使用液體剝落的方法，提高了制備黑磷烯的收益率。

　　

　　結構上來見，黑磷和石墨烯還是有很大差異的，黑磷并不是平面蜂窩狀晶格結構。

　　

　　由于具有帶隙，黑磷在半導體領域顯示出了不同于石墨烯的特性。目前研究人員已經成功地用黑磷制作出晶體管、柔性電路、光電器件，并通過與其他二維材料結合，收獲了更好的應用。因而在半導體領域，黑磷的前景比石墨烯更加光明。

　　

　　當然，黑磷也不是完美的材料，由于黑磷會與空氣中的水反應，不經處理的話，晶體管會因為黑磷的腐蝕而失效。
 

　　氮化硼

　　

　　氮化硼的結構和石墨極為類似，因此也稱為「白石墨」，而石墨烯也對人們探索氮化硼的制作方法有一定的啟發。

　　

　　二維的氮化硼是由氮原子和硼原子交替組成的平面結構。其結構和石墨烯類似，是六角蜂窩狀的平面。但是與石墨烯截然不同的是，它是一種優良的絕緣體。

　　

　　目前研究人員已經用氮化硼和石墨烯交替堆疊組成了復雜的電路，通過結合不同的二維材料成功地發揮出了更大的潛力。另外，氮化硼在抗氧化涂層、超疏水應用方面也有很好的前景。

　　

　　二硫化鉬

　　

　　二硫化鉬也是一種非常流行的二維材料，與石墨烯和氮化硼不同的是，二硫化鉬擁有帶隙，可以進行邏輯判斷，是一種半導體材料。
 

　　

　　二硫化鉬的帶隙是自帶的，但是它的帶隙和硅的帶隙是不一樣的，二硫化鉬的是「直接帶隙」，而硅的帶隙是間接帶隙，直接帶隙的發光效率比間接帶隙高得多。

　　

　　二硫化鉬僅僅是「過渡金屬二硫屬化物」的一種。這個家族中包含了15種不同的過渡金屬和硫、硒、碲三種硫屬化物。目前針對同家族的研究還非常少。

　　

　　但是相比石墨烯來說，二硫化鉬的電子遷移速率比較低。因為這種材料結構的關系，電子在其內部移動的時候，碰到平面的金屬原子后，會被其中的金屬原子彈離，因而遷移速率會受到一定影響。所以更常見的是研究者把二硫化鉬和石墨烯組合起來使用。

　　

　　由于二硫化鉬自身的帶隙特點，它在太陽能電池和光電領域非常有前景，有望改變感光器件的未來。

　　

　　硅烯和鍺烯

　　

　　硅烯和鍺烯也是具有潛力的二維材料。而芯片制造廠商也更喜歡用這種熟悉的半導體來制造芯片，這兩種材料因為合成困難，所以在近幾年合成出來后，才得以研究。

　　

　　和石墨烯不一樣的是將這些原子構成二維材料的時候，材料平面會有不同程度的彎曲，而這會影響整個平面電子的一致性。但是因為它們也具有帶隙，同樣是一種半導體材料。

　　

　　這兩種二維材料，尚有許多特性有待研究。

　　

　　未來

　　

　　科學家經過不斷探索，發現了越來越多的二維材料，這些材料都有各自的特點——石墨烯的透光率、二硫化鉬的直接帶隙、氮化硼的絕緣性、黑磷烯的半導體性。這些特性能讓二維材料在不同的領域發揮各自特長，然而這些材料都面臨著相同的困境。

　　

　　把材料從實驗室應用到生活中，需要漫長的時間。如何穩定的生產、如何控制好材料的良品率、如何才能生產質量相同的產品都是一個材料走向實際應用中面臨的問題。

　　

　　不過，越來越多的實驗室開始研究二維材料這個新興的領域。每年都會有更多的二維材料被發現與研究。

　　

　　黑磷正是其中最具潛力的一個，研究者在短短的幾年時間內，就已經開發出了黑磷的晶體管。雖然性能上還不讓人滿意。但毫無疑問的是，黑磷的潛力不亞于石墨烯。筆者將會在下一篇繼續介紹黑磷是一種什么樣的二維材料。