二維材料家族包含了哪些材料？

二維材料家族涵蓋了絕緣體、半導(dǎo)體、半金屬、金屬和超導(dǎo)體，是目前凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。制備高質(zhì)量的二維材料，特別是原子層量級(jí)的超薄材料，是開(kāi)展本征物性研究和探索新現(xiàn)象的基礎(chǔ)。

隨著研究的深入，多種二維材料的制備手段逐漸發(fā)展起來(lái)，包括化學(xué)氣相沉積法（CVD），分子束外延法（MBE）、液相剝離法和機(jī)械解理法等?；瘜W(xué)氣相沉積法可以制備大面積的二維材料，但對(duì)于不同材料制備工藝差異很大，在單晶性、缺陷、層數(shù)等方面難以控制，為深入研究二維材料的性質(zhì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)；分子束外延法可以獲得單晶質(zhì)量很高的樣品，但對(duì)于真空度、元素的物理性質(zhì)以及基底的選擇都有極高的要求，很多二維材料難以通過(guò)MBE方法制備，并且在某些材料體系中（如單層FeSe），分子束外延法生長(zhǎng)的二維材料與基底存在顯著的相互作用，影響到對(duì)于材料本征物性的研究。液相剝離法可以實(shí)現(xiàn)二維材料的量產(chǎn)化制備，對(duì)于工業(yè)化應(yīng)用有重要應(yīng)用潛力，但這種制備方法在制備過(guò)程中會(huì)引入缺陷和液相污染，不利于研究二維材料的本征性質(zhì)。

2004年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Geim教授和Novoselov教授最早發(fā)展出了機(jī)械解理技術(shù)，并獲得了單層石墨烯，掀起了二維材料的研究熱潮。近十年來(lái)，機(jī)械解理技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于制備各種高質(zhì)量的二維材料。石墨烯、MoS2以及單層高溫超導(dǎo)材料Bi2212等諸多材料的本征物理性質(zhì)，都是在機(jī)械解理的樣品上觀察到。在異質(zhì)結(jié)和轉(zhuǎn)角石墨烯等人造晶體中，機(jī)械解理的樣品也同樣展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。機(jī)械解理的樣品與基底相互作用弱，制備過(guò)程簡(jiǎn)單，樣品質(zhì)量高，這些優(yōu)勢(shì)使得該方法在二維材料研究中獲得了極大的成功。但是隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)該方法同樣存在許多不足，特別是制備效率低和樣品尺寸小等問(wèn)題，限制了許多先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段如掃描隧道顯微鏡（STM）、紅外-太赫茲光譜以及角分辨光電子能譜（ARPES）對(duì)二維材料的研究。

2015年，美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的黃元博士和Peter Sutter教授與中科院物理所高鴻鈞院士合作，提出了利用氧氣等離子體增加石墨烯和基底相互作用的新型解理方法（ACS Nano. 9 （11）， 10612 （2015）），成功獲得了毫米量級(jí)的單層石墨烯和高溫超導(dǎo)材料Bi2212，這使得研究大面積單層單晶石墨烯和Bi2212的更多物理性質(zhì)成為了可能。

2020年5月15日，Nature Communications在線報(bào)道了中科院物理所周興江研究團(tuán)隊(duì)、高鴻鈞院士團(tuán)隊(duì)與中國(guó)人民大學(xué)季威教授在機(jī)械解理技術(shù)領(lǐng)域的最新研究成果（DOI： 10.1038/s41467-020-16266-w）。在該文章中，研究人員發(fā)展了一種金膜輔助的普適性機(jī)械解理方法，可以用于獲得大尺寸超薄二維材料。中國(guó)人民大學(xué)博士研究生潘宇浩系統(tǒng)地計(jì)算了58種層狀材料體系與金基底的相互作用 （圖1），結(jié)合元素周期表中不同元素的相互作用規(guī)律，指出層狀材料的最外層元素和基底的相互作用是影響機(jī)械機(jī)理最關(guān)鍵的因素，針對(duì)最外層元素含有VA，VIA，VIIA主族的層狀材料，可以采用金膜輔助的解理方法。中科院物理所黃元副研究員和楊蓉副研究員在實(shí)驗(yàn)上成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)40種二維材料的大面積解理，單層二維材料尺寸在毫米量級(jí)以上（圖2和圖3）。

圖1. 不同層狀材料自身層間結(jié)合能以及與金相互作用能的對(duì)比。

圖2. 機(jī)械解理獲得多種大面積高質(zhì)量超薄二維材料。（a） 新型機(jī)械解理的步驟; （b-e） 不同基底上解理得到的大面積MoS2; （f-g） 解理得到的多種大面積二維材料；（h-j） 異質(zhì)結(jié)及懸空二維材料的拉曼光譜及熒光光譜。

圖3. 解理得到的多種二維材料的光學(xué)照片。

由于二維材料層間是范德華相互作用，而金和許多二維材料可以形成準(zhǔn)共價(jià)鍵，這種相互作用遠(yuǎn)大于范德華相互作用，因此可以在襯底蒸鍍金膜，在不影響材料本征物性的前提下高效地解理出大面積的單層樣品。更為重要的是，這種解理方法可以實(shí)現(xiàn)多方面的調(diào)控。首先，這種解理方法無(wú)需連續(xù)的金膜，可以高效實(shí)現(xiàn)懸空樣品的制備，這為研究材料的本征光學(xué)性質(zhì)和輸運(yùn)性質(zhì)提供了理想的研究體系；其次，這種方法可以實(shí)現(xiàn)基底導(dǎo)電性的調(diào)控，針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)要求，可以選擇性地改變基底的導(dǎo)電和絕緣。針對(duì)STM和ARPES等需要基底導(dǎo)電的真空研究手段，可以通過(guò)增加金膜的厚度，直接將二維材料解理到金膜上，并觀察到清晰的原子結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu) （圖4）；而針對(duì)熒光光譜和電輸運(yùn)測(cè)量，可以將金屬膜的厚度控制在3 nm以下，形成絕緣性的金屬島，從而獲得良好的熒光信號(hào)和高開(kāi)關(guān)比的場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （圖5）。

圖4. 在大面積的單層樣品上獲得的原子圖像、低能電子衍射斑點(diǎn)及能帶結(jié)構(gòu)圖。

圖5. 通過(guò)控制金屬膜的厚度，可以獲得絕緣的金屬膜，可以在器件中實(shí)現(xiàn)高開(kāi)關(guān)比和超導(dǎo)特性測(cè)量。

此外，研究團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)在國(guó)際上首次解理出大面積的單層FeSe， PtTe2，PdTe2等材料，為后續(xù)開(kāi)展一些新材料物性的探索打下了良好的基礎(chǔ)。該解理方法展現(xiàn)出了非常好的普適性，可以在透明基底、柔性基底上實(shí)現(xiàn)有效解理，為多種光學(xué)研究、柔性器件研究提供了新思路。

這一研究成果首次給出了針對(duì)不同層狀材料的普適性解理規(guī)律，對(duì)于探索更多二維材料的新奇物理性質(zhì)具有重要的推動(dòng)作用，也為未來(lái)大面積晶圓級(jí)二維材料的制備和應(yīng)用提供了新的可能性。在該工作中，中科院物理所黃元副研究員、楊蓉副研究員和中國(guó)人民大學(xué)潘宇浩博士為本論文共同第一作者，中國(guó)人民大學(xué)季威教授、內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)Sutter教授、中科院物理所周興江研究員和中科院物理所高鴻鈞院士為本文的通訊作者。本工作得到了科技部、基金委、中科院、中國(guó)人民大學(xué)以、中科院物理所N07組、廣東松山湖實(shí)驗(yàn)室以及上海超算中心的大力支持。
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