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二维材料最激动人心的前沿之一,却是将它们堆叠成依然很薄但的确是三维的结构。利用各种各样的二维超平材料迥异的性质,可以制造一整个完全由原子级厚度组件构成的数字电路,这将创造出之前闻所未闻的器件。
“与其设法找一个材料然后说它就是最好的,也许不如用某种方式将它们结合在一起,这样就能综合利用它们的不同优势了。”基什说。这就意味着我们可以将不同二维材料构成的组件堆叠起来,制造小型、密集的三维电路。
今年2月份,诺沃肖洛夫和他的团队逆转了太阳能电池的概念,用石墨烯做电极,以二硫化钼(MoS2)和其他TMDC为材料设计了一种发光二极管。通过选择不同的TMDC,他们还可以调控释放光子的波长。
就算是石墨烯,也一样可以从其他二维材料上得到提升,意大利国家纳米科学公司(NEST)的物理学家马尔科˙ 波利尼(Marco Polini)如是说。他的团队一直致力于研究把石墨烯夹在二维层状绝缘体氮化硼(BN) 层间的器件。激光聚焦在该器件上时,石墨烯层就能压缩光束并为光束提供通道,效果远远胜于石墨烯夹在块状材料间的器件。波利尼说,原则上,这意味着可以用光子而非电子在芯片间携带信息,芯片通信可能因此而变得更快速有效。
走向应用还很漫长
瑞典查尔姆斯理工大学的物理学家亚里˙ 基纳雷特(Jari Kinaret)说,现在二维材料领域的盛景让人回忆起了2005年对石墨烯的狂热。他是欧盟石墨烯旗舰计划的负责人,这一项目也研究其他二维材料。
但基纳雷特警告说,要真正去评估这些材料的应用潜力可能还需要20年。“关于二维材料的初步研究大多集中于它们的电学性质,因为这些更接近物理学家的‘初心’,”基纳雷特说,“但我认为所谓的应用,即便有一天实现了,也更可能在一个完全没有预见到的领域。”
在实验室表现良好的材料并不总是能成功进入真正的应用领域。二维材料面对的一个主要问题,是如何廉价地生产均一、无缺陷的二维薄层。胶带法适用于制备层状TMDC和磷烯,但太耗时以至于无法用于大规模制备。黑磷块状材料的制备也很昂贵,因为需要将自然存在的白磷放在超高压力中。目前还没有人较为完美地从零开始生长单层二维材料,更不必说物理学家认为有前途的分层结构了。
“制备异质结构会花费很长时间,”华盛顿大学的物理学家徐晓东说,“怎样才能使制备过程加速或者自动化?这里面还有很多的工作要做。”
这些实际问题可能使得二维材料无法实现它们预期的前景。“像这样的热潮曾经也有过许多,结果不过是昙花一现。”基什说,“但我认为鉴于现有二维材料的数量很多且性质丰富,应该能够保证做出一些东西。”同时,这个领域还在扩张。科尔曼说,作为比磷烯分子量更大的同族兄弟砷烯(Arsenene),已经进入研究者们的设想中。
“随着人们开始向新方向发展,他们将会发现更多具有优异性质的新材料,”科尔曼说,“也许最激动人心的二维材料尚未制备出来。”
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