二維材料的宏觀制備專題編者按

自2004 年石墨烯被首次從石墨中解理出來以來,二維材料的研究已經走過了18 個年頭.在這近二十年的時間里,二維材料已經發展成為一個龐大的家族;這些二維材料展現出豐富多樣的性質,涵蓋了凝聚態物理研究的各個主要方向.更為重要的是,二維材料研究開辟了一個材料物理研究的新范式:把一個層狀的晶體塊材減薄到單層或少層,所得到的二維材料往往會展現出與塊材母體完全不一樣的特性.新的物理也隨之涌現,例如石墨烯中的狄拉克費米子物理以及單層二維過渡金屬硫族化合物中的谷自旋物理.更進一步,這些二維材料原則上可以像魔角雙層石墨烯一樣,通過堆疊形成異質結,成為發現新效應、新物理的另一個源泉.Mounet 等人的計算表明,迄今實驗上制備出的二維材料只是冰山的一角,理論上可以解理到單層的二維材料可能有上千種.二維材料及其異質結構的研究因此蘊含著巨大的原創性發現的機會.

在所有這些二維材料中,原子在層內都是通過共價鍵和離子鍵等強化學鍵結合在一起,同時面外的化學鍵呈飽和狀態,層與層之間僅以弱范德華力相結合.這個結構上的共性保證了二維材料即使在單層極限下也可以保有其結構的完整性和化學的穩定性.“界面即器件”,二維材料本身就是一個界面,基于二維材料的半導體器件電場對溝道的調控更徹底,從而抑制納米尺度下半導體器件中的短溝道效應.在器件尺寸已經微縮到納米量級的后摩爾時代,以過渡金屬硫族化合物、黑磷為代表的二維材料在極限厚度下表現出優異的半導體特性,作為未來半導體器件溝道的候選材料受到廣泛關注.與此同時,二維材料單層極限下的化學穩定性也使得更多樣的調控手段成為可能.比如,近年來日益受到重視的門電極離子調控可以在1014cm–2的水平調控二維材料的電荷摻雜,從而把門電極調控的概念推廣到磁性、強關聯乃至高溫超導材料.基于這些新型調控方法的二維器件將有可能發展為新的器件原型.

從二維材料到器件再到應用,這個鏈條上不可或缺的一環是二維材料的宏觀制備——只有在宏觀尺度下實現高質量二維材料的可控制備,我們以上討論的二維材料的種種優勢才有可能轉化為實際的應用.正因如此,二維材料的宏觀制備一直是二維材料研究的一個熱點和前沿,近年來取得了一個又一個的突破.這些突破有許多要歸功于海內外的華人物理、材料學家.他們活躍在這個前沿,做出了突出的成績.

受《物理學報》編輯部委托,我邀請了幾位活躍在二維材料宏觀制備研究前沿的中青年學者,為中文讀者回顧總結領域里近年來的部分進展.其中既包括對多種二維材料自下而上的生長研究,也包括從塊材出發自上而下的大面積解理探索.組稿期間恰逢新冠疫情肆虐,作者們在非常困難的情形之中完成稿件,如約賜稿,殊為不易.受水平及時間所限,本專題對二維材料宏觀制備領域的介紹難免掛一漏萬,不足之處懇請各位同仁不吝指正.