淺談二維材料及其應用

董鈺

（西藏大學理學院，西藏 拉薩 850000）

0 引言

所謂二維材料，就是在維度上有一維、二維、三維的區分，那納米材料也對應三維度，其中二維納米材料簡稱二維材料，橫向尺寸大、厚度只有幾個原子大小的厚度。其應用領域非常廣闊，例如醫療、可穿戴智能器件、電池電容、半導體制造等。目前，全部的二維材料具有完全不同的電學性質和能帶結構，它包含著導體、金屬、半導體、絕緣體等不同類型的材料。二維材料主要包括的元素有：過渡金屬、碳族元素、硫族元素以及氮族元素等，正是因為它們在力、熱、光、電學性質的優越性，制得的材料在醫療、傳感器、光電器件等領域有著重要的應用。

1 發展歷程

目前，二維材料已成為材料物理學、凝聚態物理學、納米科學、化學等學科研究的重點。二維材料蓬勃發展大致是在21世紀初期到2020年，2004年用機械剝離從高取向的石墨上得到僅一個原子層厚度的石墨烯[1]。同時2005年又率先發現了多種非碳基二維材料[2]，研究人員成功剝離出二硫化鉬、硒化鈮、石墨的薄片，這些薄片不僅呈現出典型的二維結構，而且在常溫度下能保存較長的時間，擴展了二維電子材料的研究。2007年在室溫下通過單層石墨烯薄膜上觀測到了量子霍爾效應為低耗高效的電子器件奠定了基礎。2010年將二維材料延申到過渡到金屬硫化物。Geim和K.S.Novoselov剝離得到石墨烯成為新世紀“牛頓與蘋果”式故事，他們也為此斬獲2010年諾貝爾物理學獎。2014年發表的一項研究[3]證明二維材料應用于生物、癌癥治療，如圖1。

圖1 未來二維材料的發展

近年來，非石墨烯二維材料的探索從理論研究開始向實驗轉變，例如硅烯、磷烯的理論研究轉變為實驗上利用微機械法剝離出磷烯[4]。甚至在生物納米上取得了不小的進展，例如利用黑磷納米片的光熱性能以及超高的比表面積，可以合成同時具有光熱治療作用的高效藥物載體[5]。

2 性能結構

2.1 Gr

石墨烯是由單層碳原子組成一個密集堆積的六角格子蜂窩狀結構的二維材料，是世界上最薄的二維材料。石墨烯是導電性能最好的材料，厚度僅有0.35nm，碳碳鍵長為0.142nm，電導率高達106S·m-1，它被廣泛應用在電子器件上。

2.2 TMDCs

TMDCs是少層或單層六方晶系組成的層狀結構，載流子遷移速率低，它是非常重要的二維光電材料，典型代表是MoS2。它最大的應用就是納米芯片、激光器。

2.3 二維鈣鈦礦

二維鈣鈦礦結構穩定具有光電性能高、多量子阱效應、載流子遷移速率高、結構可調的性能。它被廣泛應用在光電探測器、太陽能電池、激光器等。

3 應用

二維材料因結構而表現出優異的物理、化學、電學性能，不同材料在諸多領域具有潛在的應用潛力。下面通過介紹二維材料在醫療、傳感器、光電器件領域的應用。

3.1 醫療

癌癥是人類迄今為止難以治愈的惡性疾病，為此研制出高效殺死癌細胞的功能性材料結合相應的癌癥藥物成為當下醫學事業的研究熱。石墨烯具有優異的生物相容性和抗菌性能，在臨床上常被作為人體組織移植，術后不易引發感染、抗菌性強、腐蝕性強。

鎳鈦層狀薄膜具有抑制癌細胞和殺菌的效果，植入人體出現腫瘤復發和細菌感染的幾率小；這一材料生物相容性良好、抗菌性，在近紅外輻射下快速凝膠化[6]，以此來處理手術傷口周圍殘留的腫瘤組織，對人體無危害具有巨大的臨床潛力。

3.2 傳感器

傳感器的類型多種多樣，Gr、MoS2可應用于電子傳感器（通道材料與待檢測物間相互作用引起電導系數改變）；GO[7]、MoS2可應用于熒光傳感器（依靠熒光探針和待檢測物之間相互作用）；Gr、MoS2應用在電化學傳感器（檢測待測物和電極活性材料間電荷轉移實現）作為電極材料。

3.3 光電器件

載流子遷移速率高的二維材料可應用在電子器件上；存在直接能隙的可用于光器件上。實際的應用有：MoS2、WS2、ZrS2可以用來做晶體管、BP用于柔性電子器件等[8]。

4 結束語

綜上所述，闡述二維材料的發展歷程，從Gr、TMDCs、二維鈣鈦礦歸納了各自的結構性能，不同結構性能的材料具有不同的應用，例如醫療、傳感器、光電器件等領域。同時，二維材料的發展應用面臨著諸多挑戰。首先材料制備水平落后、各種材料停留在實驗階段[9]、得到層狀材料效率低、樣品厚度不一、設備技術落后等。隨著二維材料家族的不斷擴大出現了新二維材料，為未來醫療、傳感器、光電器件領域前沿研究應用提供了基礎。癌癥治療載藥系統有效殺死癌細胞不會損傷正常細胞；未來傳感器芯片速度更快、體積更小、價格便宜、功能更完善；更加高性能的光伏器件問世……在未來，不同類型的二維材料的發展將有待我們去進一步探索和研究。