4.4.4 二維晶體材料

二維晶體材料的探索史已接近百年，但直到2004 年成功剝離出單原子層石墨烯才標(biāo)志著超薄納米材料的誕生[28]。二維晶體材料是由幾層單原子層堆疊而成的納米級(jí)厚度的平面晶體。與固體材料相比，二維晶體材料的性質(zhì)強(qiáng)烈依賴于電子結(jié)構(gòu)并得益于更多的表面暴露的原子，故二維納米材料表現(xiàn)出很多獨(dú)特的性質(zhì)。由于電子被限制在二維平面內(nèi)，增加了其電子特性，使二維晶體成為光電器件領(lǐng)域中的理想材料。較強(qiáng)的面內(nèi)共價(jià)鍵和原子層厚度使得它們表現(xiàn)出出色的機(jī)械強(qiáng)度、柔性以及光學(xué)透明度。

二維晶體材料擁有極大平面尺寸的同時(shí)還能保持原子厚度，故二維晶體材料有極大的比表面積，這擴(kuò)大了催化和超級(jí)電容器的研究領(lǐng)域。通過(guò)表面原子吸附、元素替代摻雜、拉伸應(yīng)變、不同方向邊緣切割、構(gòu)型設(shè)計(jì)、控制片層厚度以及缺陷工程等方法可以實(shí)現(xiàn)材料性能的可控調(diào)制，這為研究與電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)特供了方便。因此，二維晶體材料可應(yīng)用在柔性電子器件、光電器件、高功率/質(zhì)量比的太陽(yáng)能電池、吸附等領(lǐng)域。

目前，以石墨烯、黑磷、過(guò)渡金屬硫化物、六方氮化棚為代表的二維晶體材料的研究己經(jīng)成為當(dāng)前物理學(xué)和材料科學(xué)的一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)[29]。圖4.32 即是一些典型的二維晶體材料。

過(guò)渡金屬硫化物層狀材料包含三個(gè)原子層，過(guò)渡金屬層鑲嵌在兩個(gè)硫原子層中間，每一個(gè)過(guò)渡金屬硫化物層都是六方晶格結(jié)構(gòu)。對(duì)于半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)，帶隙直接影響其對(duì)光的吸收和發(fā)散，本征單層過(guò)渡金屬硫化物是直接帶隙的半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為1.1 ~1.geV ，與硅材料相當(dāng)( l.leV) ，這使其取代傳統(tǒng)硅材料廣泛應(yīng)用在電子元器件中成為可能。

黑磷烯晶體中的每個(gè)磷原子都與周圍的三個(gè)相鄰的磷原子結(jié)合，形成了作用力比較強(qiáng)的共價(jià)鍵。六個(gè)磷原子圍成一個(gè)環(huán)狀的六角形結(jié)構(gòu)，由于磷原子的Sp3 雜化作用，黑磷烯表面呈槽皺蜂窩狀。黑磷烯有直接帶隙，黑磷烯的層數(shù)可調(diào)控其帶隙值卻不改變直接帶隙特征。石墨烯是由碳原子緊密排列成蜂巢狀的單層碳材料，是目前是世上最薄也是最堅(jiān)硬的納米材料，抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為130GPa 和1.0TPa悶。

石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)性能，它幾乎是完全透明的，單層石墨烯只吸收2.3%的可見(jiàn)光，反射0.1%的可見(jiàn)光，透過(guò)率為97.7%[31)。石墨烯垂直于晶面方向的離域大π 鍵使得石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)性能[32) 。它是一種禁帶寬度為零的半金屬半導(dǎo)體材料，其電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的11300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。常溫下其電子遷移率超過(guò)15000cm2/(V'S P3) ， 是硅材料的100 倍左右:而電阻率只有1O-6Q'cm，比銅更低，是目前世上電阻率最小的材料[34] 。

石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，當(dāng)受到外加應(yīng)力時(shí)，彎曲變形的碳原子面使得碳原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，這種穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)使石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性。石墨烯在室溫下熱傳導(dǎo)率為4.84X 103~5.3X 103W/mK 。