物理學(xué)家習(xí)慣使用他們所能想到的最好的詞語來形容石墨烯。這絲薄的單原子厚度的碳是靈活、透明的，比鋼強(qiáng)、比銅導(dǎo)電好，雖然非常薄，但它實(shí)際上是二維材料。在2004年被分離出來后不久，石墨烯就成為全世界研究人員癡迷的對象。

　　不過，對Andras Kis而言并非如此。Kis表示，與石墨烯一樣不可思議的是，“我覺得必須超越碳”。因此，在2008年，當(dāng)他有機(jī)會在瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）組建自己的納米電子學(xué)研究團(tuán)隊(duì)時，Kis專注于研究一種超平材料。

　　這些材料有一個“笨拙”的名字：過渡金屬硫化物（TMDC），但它們具有相當(dāng)簡單的二維結(jié)構(gòu)。鉬或鎢等過渡金屬原子的單排結(jié)構(gòu)，夾在同樣薄的硫元素層之間，例如硫和硒——在元素周期表中，它們均位于氧元素的下方。Kis表示，TMDC幾乎與石墨烯同樣薄、透明和靈活。“但它們莫名奇妙地就得到一個沒有趣的名聲，我認(rèn)為它們應(yīng)該有第二次機(jī)會。”

　　他是對的。很快，研究人員發(fā)現(xiàn)，不同基礎(chǔ)成分搭配制成的TMDC具有大范圍的電子和光學(xué)特性。例如，與石墨烯不同，許多TMDC是半導(dǎo)體，這意味著它們有潛力被制成分子級別的數(shù)字處理器，并比硅更加節(jié)能。

　　在幾年中，全世界大量實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)加入了追尋這種二維材料的行列。“最初是一種，然后是兩種、三種，突然間，變成了二維材料王國。”Kis說。從2008年的零星出版，到現(xiàn)在每天6篇出版物問世，二維TMDC不斷發(fā)展。物理學(xué)家認(rèn)為可能有約500種二維材料，不只石墨烯和TMDC，還包括單層金屬氧化物和單元素材料。“如果你想要一個給定屬性的二維材料，那么你將能找到一個。”愛爾蘭都柏林三一學(xué)院物理學(xué)家Jonathan Coleman說。

　　“每一個都像樂高積木，如果你將它們拼在一起，或許就能做出一個全新的東西。”Kis說。

　　平面大冒險

　　僅幾個原子厚度的材料，就能有非常不同的基本特性。“即便塊體材料乏善可陳，但如果你能將它變?yōu)槎�維形式，它會打開新的大門。”中國復(fù)旦大學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)�聚態(tài)物理學(xué)家張遠(yuǎn)波說。

　　碳就是一個典型的案例。2004年，物理學(xué)家Andre Geim和Konstantin Novoselov首次報告稱，他們在英國曼徹斯特大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室分離出了石墨烯。他們的技術(shù)非常簡單�；�本步驟是，在石墨薄片上按壓一條膠帶，然后將膠帶撕下，膠帶上就殘留有一些原子厚度的薄層。通過重復(fù)該過程，他們最終得到了單原子層，于是Geim和Novoselov得以開始研究石墨烯的特性。該研究獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。

　　物理學(xué)家很快開發(fā)出該物質(zhì)的許多應(yīng)用特性，從制作可彎曲屏幕到能源儲存。但不幸的是，石墨烯并不適用于數(shù)字電子學(xué)領(lǐng)域。而對于這一領(lǐng)域而言，理想材料是半導(dǎo)體。

　　不過，Geim和Novoselov在制作石墨烯方面獲得的成功激勵了其他研究人員。Kis等人開始探索可替代的二維材料。于是，他們瞄準(zhǔn)了TMDC。到2010年，Kis團(tuán)隊(duì)利用TMDC二硫化鉬制出了首個單層晶體管，并預(yù)測有一天這些設(shè)備能提供柔性電子。2010年的諸多研究顯示，二硫化鉬能有效吸收和發(fā)射光，使其有望用于太陽能電池和光電探測器。

　　法國圖盧茲物理和化學(xué)納米實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家Bernhard Urbaszek表示，單層TMDC能捕獲超過10%的攝入光子，這對于3個原子厚度的材料而言是一個不可思議的數(shù)字。這也幫助他們解決了另一個問題：將光轉(zhuǎn)化為電。當(dāng)光子撞到這個三層晶體管上時，能推動電子穿越能隙，并允許其穿過一個外部電路。每個自由電子會在該晶體中留下一個真空區(qū)，這里是電子本來的位置—— 一個帶正電荷的洞。加上電壓后，這些洞和電子會向不同的方向循環(huán)，從而產(chǎn)生一個電流凈流。

　　該過程還能被逆轉(zhuǎn)，即將電轉(zhuǎn)化為光。如果電子和真空洞被從一個外部環(huán)路注入TMDC，當(dāng)它們相遇時就會再次組合然后釋放光子。這種光電相互轉(zhuǎn)化的能力使得TMDC有望被用于利用光傳輸信息、用作微小的低功率光源，甚至激光。
(責(zé)任編輯：admin)