2004年，曼徹斯特大學Geim和Novoselov兩位科學家用膠帶剝離出了石墨烯，石墨烯的發(fā)現(xiàn)推翻了所謂的“熱力學漲落不允許二維晶體在有限溫度下自由存在”的原有認知，震撼了整個科學界。至此，材料研究領域終于進入了二維光電材料時代，其研究熱潮一直延續(xù)到十幾年后的今日仍未退散。
在這期間，其他的二維材料相繼被人們發(fā)現(xiàn)。二維材料所組成的大家族越發(fā)壯大，新發(fā)現(xiàn)的許多二維材料有著比石墨烯還要優(yōu)異的性能，二維材料由于在不同溫度下可能具有高載流子遷移率和高導熱率，因而有望在高精度傳感器、電子工業(yè)、氣體分離與儲存、催化、薄膜等諸多領域中有較好的應用前景。
二維材料大家族
二維材料經(jīng)過這么多年的發(fā)展，產(chǎn)生了許多二維材料，這些二維材料有著各種各樣的電學性質(zhì)（金屬、半金屬、半導體和絕緣體），也呈現(xiàn)了很多優(yōu)異的物理特性（超導，熱電效應，電荷密度波等），使其在很多方面有巨大的應用前景,如自旋電子學，光電子學，化學和生物傳感器，超級電容，太陽能電池和鋰離子電池等。
以下是在二維材料中相對成熟的幾類熱門材料，通過它們可以較為全面認識到當前的二維材料發(fā)展狀況。
石墨烯
石墨烯，開啟了二維材料研究之路，也是目前最為成熟，工業(yè)化應用最高的二維材料。
石墨烯具有結構穩(wěn)定、導電性高、韌度和強度高等突出的物理化學性質(zhì)，被譽為“新材料之王”，已經(jīng)應用在電子、儲能、復合材料、航空航天等諸多領域。
石墨烯的應用領域
2017年中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)布的《2017全球石墨烯產(chǎn)業(yè)研究報告》顯示：預計到今年，石墨烯全球市場價值將達到1000億元。
而從全產(chǎn)業(yè)鏈市場規(guī)模及往年復合增長率來看，未來石墨烯有望達到萬億元級產(chǎn)能規(guī)模，特別是未來5~10年，隨著石墨烯應用市場的不斷拓展，石墨烯原材料與下游應用產(chǎn)品將持續(xù)展現(xiàn)出巨大的市場前景，在眾多領域產(chǎn)生令人期待的經(jīng)濟價值。
石墨烯應用市場預期（到2025年）
硅烯
硅烯是與石墨烯相似的化合物，但它更傾向于sp3雜化，因此，直到單層/多層硅納米管(SiNT)被合成之后，科學界才開始相信合成硅烯的可能性。
硅與碳同屬于元素周期表的IV族元素，同樣在自然界和材料學中有著重要的位置。2007年，Guzman-Verri等人重新計算了這種類石墨烯的單層硅結構，發(fā)現(xiàn)硅也可以形成單原子層結構，并且具備與石墨烯類似的電子結構，他們將這種單原子層的硅結構命名為硅烯。
硅烯的結構模型
硅烯中存在很多與石墨烯體系相似的新奇量子效應，并且硅烯還有很多石墨烯不具備的優(yōu)勢，例如硅烯具有可調(diào)諧的能隙、更容易谷極化、更小的熱導率(3-65W/mk)以及硅烯比石墨烯更易于與現(xiàn)今普遍應用的硅基半導體工藝兼容。
硅烯的實驗研究工作還只是剛剛展開，還有大量的物理問題需要去探索，可以期望在不久的將來，硅烯的研究發(fā)展會成為不遜色于石墨烯的研究領域。
鍺烯
由于科研人員已經(jīng)先后制備出石墨烯和硅烯，并探索了其蜂窩狀晶格所帶來地獨特的物理性質(zhì)。隨著科研工作的不斷深入，科研人員把視線轉(zhuǎn)向了與碳和硅同一主族的鍺元素。鍺元素隸屬于碳族，位于硅元素的下方。
Pt(111)表面鍺烯的結構
與石墨烯和硅烯相比，鍺烯具有更大的原子序數(shù)，所以其體系中會有更強的自旋-軌道耦合，使鍺烯在狄拉克點可以打開更大的能隙。另外，理論計算還表明摻雜的鍺烯有希望成為高溫超導體。
但不足之處在于鍺烯易被氧化，在空氣中不能穩(wěn)定存在，因此較難被應用于器件。
錫烯
錫(Sn)也隸屬于碳族，位于鍺元素的下方。類石墨烯二維晶體材料-錫烯，被預測可能具有非同尋常的物理特性。
近來二維錫烯被認為是一種實現(xiàn)量子自旋霍爾效應的潛在材料，由于時間反演對稱性，自旋過濾螺旋邊緣態(tài)伴有無耗散自旋和電流沿著邊緣傳播，這樣就使得錫烯在自旋電子學和容錯量子計算有著重要的應用。
Bi2Te3基底上的錫烯
2013和2014年，理論物理學家預言錫烯可能是一種可以工作在室溫條件下的二維拓撲絕緣體，這種優(yōu)異的性質(zhì)使得錫烯在未來更高集成度的電子學器件應用方面具有巨大的應用前景。
鉿烯
鉿(Hf)是過渡金屬元素，外殼層為d電子，與傳統(tǒng)二維材料的p電子相比，含有d電子的過渡金屬元素具有更加多樣化的物理與化學性質(zhì)，并且大多數(shù)具有自旋極化的性質(zhì)。
2013年，李林飛等人發(fā)現(xiàn)了制備鉿烯二維原子晶體的方法。他們選用Ir(111)基底，利用電子束蒸發(fā)源將金屬鉿沉積到表面，通過后續(xù)退火理得到了規(guī)則有序結構。結合STM和LEED表征以及DFT計算，他們確認了單層平面二維蜂窩狀的鉿烯結構。
Ir(111)基底上的鉿烯
這類由元素周期表中d區(qū)元素構成的二維晶體材料，其幾何和鍵結構與石墨烯類似，被稱之為d電子烯或者金屬烯-鉿烯。該工作向?qū)崿F(xiàn)非碳元素的類石墨烯二維蜂窩狀結構邁出了重要的一步，鉿烯的發(fā)現(xiàn)為探索二維材料中新奇的量子效應和電子行為提供了全新的平臺。
硼稀
硼是元素周期表中的第5位元素，存在類似碳的sp2雜化軌道。硼是二維材料俱樂部的后來者，部分原因是因為硼本質(zhì)上是一種3D元素，很難得到平面結構。
理論預言平面結構的二維硼，也稱硼烯，可能會出現(xiàn)明顯的超導特性。另外，硼烯也有很好的抗氧化能力，有可能在大氣環(huán)境下存在，這有助于克服二維材料易被氧化而不穩(wěn)定的缺點，在納米器件方面具有潛在的應用價值。硼烯較短的鍵長也會使其具有較好的機械性能。
硼烯蜂窩結構示意圖
然而，對于硼烯的研究還只是剛剛開始，隨著對其研究的逐漸深入，硼烯所具有的新奇的原子結構和奇特的物理性質(zhì)將進一步被人們所了解，為將來基于硼烯的應用提供了可能。
黑磷烯
新興的二維半導體黑磷（BP）是白磷和紅磷之外的磷單質(zhì)的另一種同素異形體，黑磷是磷的同素異形體中最穩(wěn)定的一種，具有類似石墨的片狀結構，單原子層厚度的黑磷又稱為黑磷烯。
BP具有了類似于石墨烯的高載流子遷移率特性又具備帶隙變化可調(diào)的特征，而且具有各向異性的光學性質(zhì)，高開關比高導熱率等優(yōu)良特性，因此應用前景廣闊，是一種極具潛力的光電材料。 同時，將黃磷產(chǎn)品經(jīng)過技術手段轉(zhuǎn)化成黑磷的過程，要比獲取石墨烯的成本和難度低得多。
作為一種新的二維材料，諸多的優(yōu)異特性，被稱為比肩石墨烯的'夢幻材料'。黑磷烯的應用不局限于光電領域，其在生物醫(yī)學領域也具有優(yōu)勢如腫瘤治療。
此外，作為電池負極材料能夠有效提高能量密度，但是隨著研究的進行，人們發(fā)現(xiàn)BP在空氣中很不穩(wěn)定，容易被氧化，導致其電子器件性能降低。所以在接下來的一段時間內(nèi)，人們對影響其器件性能的參數(shù)做了很多探索。最終發(fā)現(xiàn)，目前BP在電子器件方面的應用瓶頸主要是它在空氣中容易被氧化，所以還需要我們進一步尋找更為合適的保護材料來提高它的電學性能。
黑磷烯高分辨透射電鏡圖
小結
目前，“超越石墨烯”的二維納米材料正在以迅猛的速度發(fā)展，它們可通過各種物理化學手段進行修飾，可以獲得與石墨烯或相似或不同的性能。這些修飾后的材料擁有高比表面積、出色的光學和電學特性和多功能性，具有很大的潛在應用價值。
新的二維納米材料的有趣特性使它們有望成為未來工業(yè)中的各種功能材料，一旦技術上產(chǎn)生突破，新的二維材料將爆發(fā)出比石墨烯更為廣闊的市場。相應企業(yè)應對相應技術保持著一定的關注與敏感性，以期在不久的將來搶占先機，讓技術在工業(yè)化中創(chuàng)造更大的價值，最終造福于我們的社會。
文章參考：
常泰維等.超越石墨烯：二維納米材料
王嘉瑤等.類石墨烯二維材料及光電器件應用研究進展
盧建臣.幾種新型二維原子晶體材料的構筑及其結構特性
孫杰.幾類二維材料電子結構及輸運特性的第一性原理研究
陳嵐.硅烯：一種新型的二維狄拉克電子材料
程鵬.一種新型二維材料_硼烯
整理和配圖：陳麗