陕西省科学技术协会科普专栏 神奇的二维材料
随着首届丝绸之路国际二维材料科技会议的召开，让二维材料这个词走进了人们的视线，什么是二维材料?它们具有哪些特点？实际应用的前景有多大？会给我们的生活带来怎样的改变？
什么是二维材料
3D和三维一直是21世纪以来的热门词汇，例如3D电影、3D打印等。在这些行业中，三维不但意味着更好的视觉效果，还意味着更高的技术水平，然而对于某些领域来说，事情却不是这样。在两千多年前，哲学家就曾对物质本源的问题，产生过激烈的讨论。原子派认为物质在无限分割之后，最终会小到无法分割。所以他们把组成的物质称为原子，寓意为不可分割。随着时间的流逝，虽然现代依然沿用了原始的词汇“原子”，但是其不可分割的本意早已名存实亡。科学家在近百年通过利用物理的手段证明原子是可以分割的。原子的定义变成了保持化学性质的最小单位。即便原子是可以分割的，但最大的原子仍然达不到肉眼可见的程度，可以说人们目前能够看到的物质都是由原子三维堆叠而成的。如果能把原子平铺为一层，那么这种物质也就是当之无愧的二维材料。
我们通常所说的二维材料，是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1-100nm）上自由运动的平面的材料。不同于一般纳米材料、三维材料、一维材料。2004年，两名英国物理学家成功地将只有单个原子厚的石墨烯，从石墨中剥离出来，即最初的二维材料，两人还因此获得了诺贝尔奖。因为石墨烯是一种性能极其优异的材料，不仅透明导电，而且硬度极高，兼具柔韧性。
想想看，一层保鲜膜厚的石墨烯，需要一头5吨重的大象站在铅笔上形成的压力才能将其刺穿，这个技术如果用到电脑、电视、手机触摸屏，那么，你是不是根本不用担心碎屏。
石墨烯的发现极大地推动了二维材料领域的研究。人们还发现了二硫化钨、二硫化钛、二硒化钼、碲化锑及碲化铋等二维材料，这些材料都具备各自特殊的性质,用途超乎想象。其实，我们对二维材料的研究还只是刚刚开始。
二维材料的应用
材料领域学科跨度大、范畴广、种类多，一直以来呈现多点开花、热点频出的创新态势。二维材料是时下热门的前沿领域之一，涵盖了印刷电子、柔性电子、超级电容、太阳能电池、量子点、传感器、半导体制造、NFC、医疗等，具有十分优异的机械、热学、光学特性，是多领域实现颠覆式创新的基础。当前，碳与光正取代电和硅，成为时代的科学主旋律，二维材料也正从远离人类自身，发展到了与人类本体息息相关。
材料物理学专家、新加坡南洋理工大学终身教授于霆博士说，如果把一本书想象成一块石墨，有很多很多薄层的碳组成，将其中的一页取出来，那么它就成为一个二维材料，也就是人们熟悉的石墨烯。二维材料的厚度通常是人类头发丝的十万分之一，二维材料的厚度甚至小于亚纳米的。超薄是二维材料最直观的特性，由于超薄又衍生出很多其它方面的特性，就比如手中的这一页纸有头发丝的十万分之一薄，就可以很容易的将它折叠，如果达到这样的薄度，那就是透明的，二维材料带来的可折叠性和透明性，这也是它最主要的特点。
拿单层的石墨来讲，也就是石墨烯，而石墨烯有一个特性是电子可以在其当中飞快地奔跑，电子在石墨烯上的速度原则上可以达到光速的1/300。以这样一个高速的方式在石墨烯中运作，可以想象，用石墨烯作为芯片、作为手机和电脑的处理芯片，以如此高速传输的情况下，芯片的运算速度会极大的提高。比如，我们现在使用的手机，如果使用了二维材料，可以折叠到很小，像一张卡片或名片一样放在口袋里，甚至折叠的更小为一个贴膜。当需要它成为一个电话时拿出来展开使用，甚至更大的展开成为一个平板使用。
从石墨烯的物理特性来说，尤其是石墨烯的复合材料，把它用于电极材料的话，可以带来很多的便利，充电时间可以大大缩短，续航里程可以大大提高，但是任何事情都是有双面性的，在看到石墨烯优异的特性的同时，我们也要看到，实现这样一种产品，在技术方面还有很多的难关要去闯，还有一段很长的路要去走。
科技是第一生产力，科技的来源是材料，新的材料就会引起一个新的科技革命，二维材料，比如石墨烯，还有一类二维材料是二维半导体材料。我们用的二维半导体材料做出的新的器件比如说电脑，它的运算速度更快，比如用二维半导体材料做出的发光器件，效率更高，热损耗更低更环保。基于二维半导体材料可以广泛地应用于航空航天、新型的光电显示以及新型的信息传输，高保真高保密的信息传播的渠道，这些都有二维材料发挥的广阔空间。
颠覆性科技带来创新
石墨烯的发现极大地推动了二维材料，即只有一个或几个原子层厚的薄膜材料，这一领域的研究。自然界中存在一种“白石墨”，即六方氮化硼。它有许多和石墨类似的性质，与石墨烯截然不同，六方氮化硼是优良的绝缘体，研究人员发现，将六方氮化硼二维材料作为石墨烯的衬底可大幅提高石墨烯的电子迁移率。除六方氮化硼外，二硫化钼也是二维材料的研究热点之一。与石墨烯和氮化硼都不同，二硫化钼是半导体。因此，用二硫化钼可以做成能关断的场效应晶体管。除此之外，人们还发现了二硫化钨、二硫化钛、二硒化钼、碲化锑及碲化铋等二维材料，这些材料都具备各自特殊的性质。
放眼全球，美国、英国、韩国、日本、新加坡等国已将二维材料研究提升至国家战略高度。我国在该领域虽启动稍晚，但科研队伍体量大、后劲足，是研究最活跃、最具创造力的区域之一。随着近几年经费投入的不断增长，研究广度不断拓宽，有些方向已经取得了令人瞩目的成绩，做出了全球范围内具有开创性的工作，取得了长足的进展。
虽然二维材料的制备表征、性质探索和器件应用都已取得长足的发展，但与实际应用和产业化需求还有相当远的距离，如大面积均匀的二维材料及其特定复合结构的可控制备、基于二维材料及异质结的新型低能耗高集成器件的结构设计、新型大规模器件的构筑印刷技术等，均有待进一步发展。此外，二维材料家族中仍有不少备受期待的新材料尚未被制得，部分二维材料的物理、化学性质也有待揭示。
首届丝绸之路国际二维材料科技会议的召开就是为进一步拓展二维材料领域的发展，解决二维材料的大规模器件和电路集成构筑、新型器件设计与开发、可控制备和掺杂技术、带隙调控和界面有效调控等国内外研究普遍面临的共性问题；同时，也为了集中展示我国学者在本领域的研究成果，激发社会各界对二维材料领域的兴趣，推动学术交流，也将持续推进西北地区在该领域的科学发展。王凡华本报记者王嘉
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