二维材料

3 月，跳不动了？>>> 目前已知的材料特性都是基于材料的三维结构，而最薄的材料只有一个原子厚度，其二维力学性能完全不同于三维材料特性。为了获取和处理二维材料，迄今为止都是以三维材料薄膜形式替代。德国萨尔州大学物理学家乌韦·哈特曼和莱布尼茨新材料研究所的研究人员合作，通过扫描隧道显微镜测量石墨烯，首次能够表征原子级薄膜材料的二维力学性能。相关结果刊登在专业杂志《纳米尺度》上。 近年来，二维材料备受关注。2010年，安德烈·吉姆和康斯坦丁·诺沃索洛夫因研究二维纯碳材料石墨烯而获得诺贝尔物理学奖，由此开启了诸如硅、锗等元素的二维材料制造和材料特性表征。哈特曼表示，一些二维材料的电子特性相当惊奇，如材料内的电子移动遵循相对论原理，而传统三维材料基本不是这样，在制造电子元件方面，这是一个有趣的优势。另外，二维材料的力学性能也是独一无二的，相对其厚度，显示出的力学稳定性比三维材料大得多。2013年，欧盟投入10亿欧元研究经费，将石墨烯列为旗舰项目，以进一步挖掘二维材料的潜力。 然而到目前为止，关于这些新材料力学性质的许多信息都来自模拟计算。哈特曼说：“二维材料一直只能作为三维材料表面上的薄膜来看待，而整个系统的性质不可避免地还是由三维材料来决定。”不过，在最新研究中，他们首次直接测量出了原子级薄碳改性二维材料的力学性能。“这使得模拟计算的数据可以直接与实验结果进行比较。此外

通常情况下，胶带不会被看作是一种具有科学突破性的进展。但是当英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov）（两人在2010年获得诺贝尔物理学奖）2004年与同事在《科学》杂志发表了他们的研究成果——即用透明胶带从一块石墨烯上剥落碳原子的单原子薄片，这一研究缓缓拉开了材料学革命的序幕。 自上述曼彻斯特研究团队发表其研究成果的11年来，相关领域的研究成果呈指数增长，去年，全球研究人员发表的关于石墨烯的研究成果超过1.5万项。这种现象很合乎情理：石墨烯是迄今为止制作的最轻材料，它的强度是钢的100倍，比铜的导电性、柔韧性更好，而且很大程度上是透明的。研究人员设想了未来以石墨烯为基础建造的每样产品，如从下一代计算机芯片和柔性显示器到蓄电池和燃料电池。 然而，石墨烯可能不会通过其自身作为一种理想材料来实现未来的巨大影响，而是通过它衍生的产物。尽管石墨烯有着许多令人眼花缭乱的优点，但它也有缺点，尤其是不能充当半导体——这是微电子的基石。现在，化学家和材料学家正在努力越过石墨烯，寻找其他的材料。他们正在合成其他两种兼具柔韧性和透明度，而且拥有石墨烯无法企及的电子特性的二维片状材料，他们已经把其中一些转变为具备轻量性和柔韧性的快速电子和光学设备，他们希望，这些材料可以作为未来产业的支柱。 石墨烯，打开二维材料新视野

半导体光伏结构因其能够有效地将太阳能转化为电能，被认为是实现清洁能源的重要途径。然而早在1961年，美国科学家肖克莱、德国科学家凯赛尔便提出光伏单元的效率由于难以避免的损耗而存在理论极限。其中，由于光子吸收和再辐射导致的自发辐射损耗最为关键，这种损耗正比于自发辐射立体角和太阳光立体角的比值。太阳光的立体角仅为6x10-5球面度，而自发辐射的立体角为4π球面度。这种损耗使得传统光伏单元的开路电压降低300毫伏以上，极大降低了光伏单元的效率。 近年来，新兴的二维层状半导体材料因其可通过厚度变化调控能带结构，同时通过独特的范德瓦耳斯结构实现灵活的异质集成功能设计、构筑高效率的光伏单元，而成为当前的研究热点。其中的关键科学问题是如何有效控制自发辐射损失，从而提高光伏单元的光吸收效率。此外，基于二维材料异质结光伏单元的效率极限及其相比于传统半导体光伏结构是否有优势尚不明确。 针对上述问题，贵州民族大学教授刘江涛和中国科学院微电子研究所研究员吴振华开展了系列理论研究，提出了利用单层二硫化钼构筑准一维光子晶体结构实现光子局域态的方案，并通过转移矩阵方法证明了该结构的光发射和吸收效率较单层二硫化钼提升2~3个量级[Scientific Reports, 7:16391, (2017)]，证明了通过金属微腔可实现二维光伏单元的宽光谱增强吸收[Nanotechnology, 29:14401