從二維材料到范德瓦爾斯異質結

1 為什麼要研究二維材料

二維材料指的是由單原子層或幾個原子層構成的晶體材料。這一領域自2004 年石墨烯被發現後開始高速發展，迄今為止人們已經發現了至少幾十種性質截然不同的二維材料，涵蓋了絕緣體、半導體、金屬等不同的屬性(圖1)。那麼，二維材料為什麼具有這麼獨特的吸引力呢？

圖1 二維材料大家族(列舉了一些典型的二維材料的晶體結構和性質)。筆者按照電學性質將二維材料分為導體(關聯材料與超導體)、半導體和絕緣體。相應材料的超導臨界溫度和帶隙的範圍也在圖中標出。圖中所列的僅僅是二維材料家族中的冰山一角

首先，許多二維材料都存在著與之對應的母體材料，即二維材料依靠層間范德瓦華斯相互作用堆積而成的層狀材料，比如石墨之於石墨烯。這些層狀材料的製備方法絕大部分都非常成熟，並被大量應用於潤滑、催化等領域。自1970 年代(甚至更早)起，層狀材料就由於電荷密度波、超導、鋰電池等領域的研究頗受關注。諸如過渡族金屬硫化物中的電荷密度波現象被認為與能帶的二維屬性有著直接的關係；銅基以及後來發現的鐵基高溫超導體都是准二維體系，至今尚不清楚這是否只是巧合；而鋰電池技術能有今天的發展，也必須提及層狀材料中插層化學的相關研究。如果我們能把層狀材料中的最小單元——一個單層——製備出來進行研究，那就好比我們打開了一本書取出了一頁紙仔細研讀。因此，對於二維材料的研究，將很有可能揭開這些層狀的母體材料中的謎團。

更有意思的是，二維材料的能帶結構也可能會與母體材料有所不同，從而使二維材料具有其母體材料不具備的優越性質。比如，對石墨烯來說，層間耦合的消失使原胞內部的兩個碳原子變得完全等價，從而使費米面上的電子有效質量為零，因此單層石墨烯中電子的遷移率比其母體石墨要大得多。對於單層的二硫化鉬(MoS2)來說，晶格中心反演對稱性的破缺使得谷自旋效應得以實現。而層間耦合的消失使其從母體的間接帶隙半導體變成單層的直接帶隙半導體，並且使帶隙從母體的1.2 eV增加到單層的1.8 eV。對於黑磷(BP)來說，相似的量子局限效應讓帶隙從母體材料的0.3 eV到單層的1.8 eV隨著層數連續可調，非常適合於光電子學方向的應用。

另外非常重要的一點是，二維材料相比於三維體材料對外界的調控敏感得多，這是因為對於二維材料來說，所有的原子都暴露在表面上，沒有被藏起來的「體」的部分。比如，對於雙層石墨烯，施加一個縱向電場，就可以打開一個帶隙，而相應地如果在石墨上施加一個縱向電場，石墨表面的原子層會將電場屏蔽，石墨內部將完全感受不到任何電場。又比如在電場的調控下，MoS2和黑磷都是性能優異的場效應管，由於其溝道可以僅有1 個原子層的厚度，因此場效應管可以做得更小，從而可能延續摩爾定律。隨著離子液體和電解質柵壓調控技術的發展，可以在界面上實現高達1015/cm2載流子濃度變化的調製。在母體材料中，這樣的電場調製由於靜電屏蔽作用只會發生在表面幾個原子層內，如果母體材料本身非常導電，就很難分辨表面的載流子濃度調製帶來的變化。而對於二維材料來說由於其厚度最多僅有數個原子層，就可以得到均勻的載流子濃度調製，從而可能觀察到新的現象。另外，二維材料表面的化學吸附特性可以使其成為敏感的氣體分子探頭和生物探測感測器。

二維的體系中也蘊含著三維體系所沒有的物理。當電子被束縛在二維平面中運動時，在磁場下電子的運動會量子化，電子不再按照原來的能譜運動，而是形成朗道能級，實現量子霍爾效應。材料中的電子—電子相互作用會進一步地誘導分數量子霍爾效應的發生。在半導體的二維材料體系中，就有可能觀察到量子霍爾效應和分數量子霍爾效應。通過量子霍爾效應可以精確地定出精細結構常數，也可以為質量的標準進行重定義。而對分數量子霍爾效應的研究不但可以加深人們對電子—電子相互作用的理解，也是實現拓撲量子計算的基礎。

除了上述性質，最有意思的一點就是，二維材料不光可以從母體材料上解理，還可以按需把二維材料堆疊到一起，形成新的結構，這樣的結構稱為范德瓦爾斯異質結。這種人工結構大大豐富了材料的屬性，並且可以很方便地製造出自然界並不存在但卻性能優異的人工材料。在後文中我們將詳細介紹這一點。

2 早期的嘗試

最初，一部分物理學家認為二維材料是難以穩定存在的。Landau 和Peierls 在1930 年代曾指出，如果存在嚴格的二維材料，它的晶格將由於無法承受由熱漲落帶來的振動而崩塌，形成其他相對穩定的無序或者三維構型。以碳為例，計算表明比石墨烯能量更低的三維構型有很多，因此石墨烯看起來不太可能可以單獨存在。從熵的角度來思考，就好比耳機線總是希望繞成一團，薄薄的一層原子薄膜也總是希望通過皺褶和打捲來增加熵，更何況微弱的范德瓦爾斯力會讓這樣的結構更加穩定。在早年的實驗中也發現，許多薄膜材料的熔點隨著厚度變小急劇降低。而如果試圖生長原子級厚度的薄膜，原子往往會聚集成納米顆粒而非均勻的薄膜，以此來減小表面張力。另外，通過液相解理石墨可以得到一些石墨卷和石墨團而非石墨烯。那麼從現在的角度來看，這些因素為什麼沒能阻礙二維材料的橫空出世呢？原因在於三點：第一，懸浮的二維材料可以通過面外方向的振動和彎曲來實現熱力學上的穩定性；第二，雖然二維構型的能量比別的構型要高，但是只要不越過構型變換的勢壘，二維材料仍然可以穩定存在；第三，二維材料和襯底之間的范德瓦爾斯力可以幫助二維材料避免打卷或者團聚。

圖2 二維材料發展早期的一些代表性工作(a)1972 年，Frindt 通過機械解理NbSe2晶體得到的樣品厚度與超導臨界溫度的關係。圖中的實心圓點所對應的厚度是根據電阻率推測的，空心圓點所對應的厚度是猜測的；空心方塊和空心三角是插層後被認為層間沒有耦合的TaS2與NbS2的臨界溫度，作者放在此圖中作為比較，試圖說明材料層數和超導臨界溫度的關係(文獻中給出了最新的結果)。當時掃描隧道顯微鏡與原子力顯微鏡均未被發明，光學攝影必須依靠膠片，因此表徵厚度的方法極其有限，但這樣的工作無疑是開創性的；(b)1993 年，Schumacher 等人通過原子力顯微鏡得到的液相解理的單層MoS2的形貌圖；(c)2004 年，Kim 等人通過石墨納米鉛筆摩擦矽片得到大約10 nm厚的石墨薄層，並成功看到了電場對電阻的調製效應；(d)2004 年，Geim 等人通過膠帶將石墨薄層轉移到矽片上去，圖中所示的是一個實驗初期的石墨薄層器件(約20 nm厚)，不規則的電極由銀膠製備，正是基於這個簡單的方法單層石墨烯得以被發現

實驗上獲得二維材料的嘗試，自1960 年代起就開始了，以Frindt為代表的實驗學家發展了機械解理技術以及液相解理技術，先後得到了很可能是單層的MoS2(圖2(b))，2H相二硫化鉭(2H-TaS2)，二硫化鈮(NbS2)， 可能是兩層的二硒化鈮(NbSe2)等材料。他們已經發現了許多非常有意思的現象，諸如薄層MoS2的吸收光譜與母體材料並不一致，NbSe2的超導臨界溫度隨著厚度減小有所降低(圖2(a))，兩層的2H-TaS2的電荷密度波相變消失等等。這些現象即使放在今天也是相當新奇的，然而由於當時的技術條件和學科發展程度所限制，這一系列工作沒有得到太多的重視。

1997 年，日本學者報道了通過機械解理得到的石墨薄層的輸運性質，其最小厚度大約為30 nm，大約100 層的厚度。2004 年Kim 利用了粘在AFM針尖上的石墨薄塊在襯底上摩擦的方式解理了最薄約10 nm厚的石墨薄層(圖2(c))，但仍然離單原子的厚度有著很大的距離。而同年，Geim課題組利用透明膠帶對厚塊的石墨進行機械解理(圖2(d))得到了單層石墨烯，隨後Geim 和Kim課題組在單層石墨烯中觀測到了反常量子霍爾效應，二維材料領域開始了高速發展。下面，我們將按照材料屬性介紹一些典型的二維材料。

3 半導體和絕緣體二維材料

實驗上最先被關注的二維材料是二維的半導體材料。以石墨烯、六角氮化硼(h-BN)和半導體型的過渡金屬族元素與硫族元素化合物(MX2)為代表，由於其穩定性最先被研究。隨著技術的進步，在一些不那麼穩定的材料，如黑磷、硅烯中，也發現了新奇的性質。

實驗上二維材料蓬勃發展的一個很重要的因素就是其廣闊的應用前景。曾經有人預言石墨烯將在幾十年後代替硅產業，不過目前為止二維材料的研究離這個目標還很遠，但已經有一些初步的結果。基於半導體二維材料的場效應管相對於現在的硅基場效應管具有幾個非常吸引人的優勢：第一，二維材料的溝道厚度僅有一層原子，而且面外無懸掛鍵，使得器件的尺寸可以做到更小，缺陷也更少，意味著更高的密度和更小的功耗；第二，二維材料非常柔軟，可以承受很大程度的變形拉伸，可以用作柔性電路材料；第三，二維材料由於厚度極薄透明度很高，可以製作透明的器件。一開始所有人都把目光集中在石墨烯上，因為石墨烯的某些性能非常優異，在那麼多二維材料中，第一個被發現的石墨烯至今仍然保持著多項紀錄：最高的遷移率，最穩定的熱力學與化學性質，最高的熱導率。但它也有著一項致命的缺點，就是零帶隙。零帶隙意味著無法關斷石墨烯溝道，也就無法把石墨烯作為下一代場效應管材料的候選者。研究者花了許多努力試圖給石墨烯打開一個能隙，但對於單層來說，打開帶隙意味著需要在原胞內部引入不對稱，這種原子尺度的改變是相當困難的，一些化學方法雖然可以打開能隙，但同時也會造成大量缺陷使石墨烯變得難以導通。而在雙層石墨烯中，簡單的垂直電場就可以破壞晶格的反演對稱性從而打開一個能隙。可惜這個能隙受到介電材料擊穿電壓的限制還是太小，無法滿足室溫下的應用需求。而與這個目標相反的是，經過摻雜的石墨烯的導電性好於任何已知的材料，而且幾乎完全透明，只吸收2.3% 的可見光。石墨烯雖然難以用作場效應管，但卻可以作為二維器件的電路而存在。而理想的絕緣體也早已有了候選者，那就是二維六角氮化硼。氮化硼具有和石墨相似的晶格結構，但是帶隙達到了5.2 eV，是非常好的絕緣體。

在2010 年，MoS2重新進入了大家的視野。單層的MoS2被發現具有1.8 eV 的直接帶隙，而在2011 年，高質量的單層MoS2場效應管也首次被製備了出來(圖3(a))，開關比達到108，美中不足的是遷移率偏低，只有大概100 cm2/V·s，不過，這並不妨礙單層MoS2成為低功耗器件的候選者。而在2014 年，黑磷場效應管也被成功製備( 圖3(b)) ，106的開關比和1000 cm2/V·s的室溫遷移率使得黑磷成為下一代晶體管的熱門競爭者，更有意思的是，黑磷在平面內具有很大的各向異性，使得電子沿著面內垂直晶相的有效質量相差達到11 倍之多。然而黑磷的弱點是在大氣環境中的不穩定性。而另一方面，二維的硅材料硅烯的研究也於2010 年取得進展，第一次可以在銀襯底上生長出單層的硅烯材料。值得注意的是，硅烯(和鍺烯)是少有的幾種至今還沒有母體材料與之對應的二維材料。2015 年第一個硅烯場效應管被成功地製備(圖3(c))，遷移率達到了100 cm2/V·s。不過硅烯遇到的問題是，過小的能隙和水氧環境中的不穩定性，因此，儘管硅工業界對硅烯報以厚望，但如何真正解決這些問題仍然是很大的挑戰。

圖3 基於二維材料的一些半導體器件(a)單層二硫化鉬晶體管的轉移特性曲線以及器件的結構圖；(b)薄層黑磷晶體管的轉移特性曲線以及器件結構；(c)單層硅烯晶體管的轉移特性曲線以及器件結構；(d)由MoS2和鍺構成的隧穿場效應管的轉移特性曲線和器件結構

除了傳統的金屬氧化物半導體場效應管，一些新型器件結構也由於二維材料的發展而實現突破。由MoS2和鍺構成的隧穿場效應管就是一個典型的例子(圖3(d))。原子級平整的界面以及兩個原子層的厚度使得只要很小的偏壓就可以開啟鍺與MoS2之間的帶間隧穿，其亞閾值擺幅突破了金屬氧化物半導體場效應管的理論極限。而雙層石墨烯以及MoS2中的谷自旋流可以作為信息載體來實現新型的器件，目前谷自旋場效應管的原型已經在雙層石墨烯和MoS2中實現。

除了上述由二維半導體材料構成的器件，二維半導體本身的物理性質也是當前研究的一個重點，最重要的就是量子霍爾效應和分數量子霍爾效應的研究。在石墨烯中，首次發現了狄拉克費米子的半整數量子霍爾效應以及π貝里相位。而在懸浮的石墨烯樣品中，分數量子霍爾效應也在隨後被觀察到。在以氮化硼為襯底的高質量雙層石墨烯中，其分數態可以通過電場進行調控。通過面內磁場改變自旋取向，量子自旋霍爾效應也在石墨烯體系中第一次被實現。隨石墨烯之後，量子霍爾效應也在黑磷中被觀測到。而在半導體型的MX2化合物中，量子霍爾效應卻遲遲沒有報道，主要的原因在於很難找到一個合適的電極材料來得到足夠好的歐姆接觸，這也是限制這類MX2場效應管器件性能的主要原因之一。

4 金屬及強關聯二維材料

近幾年來由於製備工藝的進步，越來越多的金屬型二維材料也開始進入人們的視野。而離子液體和電解質柵壓調控技術的發展也使得不僅僅是半導體型的二維材料，金屬型的二維材料也可以被很大程度地調控，從而實現對不同物相的控制。實驗發現，金屬型的二維材料一般都比較活潑，相對於大多數半導體型的二維材料更容易在大氣中變質。隨著手套箱內製備器件方法的發展、預蒸鍍電極方法的應用以及材料轉移與封裝技術的成熟，越來越多的金屬型二維材料的性質開始被一一揭示。以過渡金屬族元素與硫族元素化合物為例，由離子液體實現靜電摻雜的MoS2具有高達11 K的超導轉變溫度，比任何經由化學摻雜的MoS2超導體都要高(圖4(a))。2H-TaS2隨著層數的變薄超導轉變溫度升高，而NbSe2隨著層數變薄超導轉變溫度降低，電荷密度波相變溫度升高(圖4(b))。1T-TaS2隨著層數變薄其電荷密度波相發生了顯著的變化，其薄層相變是否發生與降溫速度有關。低溫下1T-TaS2是否發生Mott 相變，被認為和層間堆疊的次序有關。而由電解質柵壓調控技術實現的鋰離子插層的1T-TaS2，其物相可以從莫特絕緣體一直調控到超導體。對於薄層的二硒化鈦(TiSe2)，相似的效應也可以通過離子液體對其靜電摻雜來實現。另外，在MoS2和NbSe2中發現了伊辛超導存在的跡象，即由於自旋軌道耦合效應產生的等效磁場把自旋鎖定在面外方向，使得其二維超導很難被面內方向的外加磁場破壞。而NbSe2和ZrNCl中的二維超導被磁場抑制後也未依照二維體系不存在金屬態的預言進入絕緣態，而是進入了一個新的物態——玻色金屬態。如此種種的新發現如雨後春筍般層出不窮。

圖4 二維超導體(a)MoS2的超導相圖，通過離子液體靜電摻雜可以實現臨界溫度高達11 K的二維超導；(b)NbSe2的相圖，隨著層數減少，電荷密度波相變溫度升高，超導臨界溫度降低；(c)鍶鈦氧襯底上生長的單層鐵硒的相圖，可以看到隨著退火次序的增加，摻雜濃度不斷提高，最高的超導臨界溫度可以達到65 K

而在高溫超導體方面，被石墨烯保護的單層的鉍鍶鈣銅氧(Bi2Sr2CaCu2O8+δ)具有80 K以上的超導轉變溫度，薄層的鐵硒(FeSe)和鋰鐵氫氧鐵硒((Li，Fe)OHFeSe)樣品經過鋰離子插層或者離子液體的調控也可以得到46 K的超導轉變溫度，隨著插層濃度的提高，超導相過後還發現了一個全新的絕緣相。而除了解理得到的二維晶體，通過分子束外延方法生長的幾層的銅基超導晶體通過離子液體的摻雜也實現了可逆的二維超導到絕緣體的轉變。有意思的是，空穴型的鑭鍶銅氧(La2-xSrxCuO4)在超導相到絕緣相的臨界電阻正好是對量子電阻，而電子型的鐠鈰銅氧(Pr2-xCexCuO4)的臨界電阻遠小於對量子電阻，這很可能暗示了空穴和電子摻雜的銅基超導體的超導電性具有不同的來源。另外，近年來在鐵基超導領域的一大突破就是在鍶鈦氧(SrTiO3)上生長的單層FeSe 具有超過65 K甚至100 K的超導轉變溫度(圖4(c))，大大挑戰了傳統上BCS超導體的臨界溫度上限。有理論認為SrTiO3表面的聲子模式將大大增強單層FeSe 中的超導配對強度，再加以STO對FeSe 薄膜的摻雜效應，從而使臨界溫度升高。不管是自上而下的解理方法還是由下而上的生長方法，對於二維體系與界面的超導電性的研究都正方興未艾。

5 范德瓦爾斯異質結

在前文中我們提起過，將不同的二維材料堆疊在一起，可以形成由范德瓦爾斯作用維繫的雙層甚至多層人工材料。這樣的材料被稱為范德瓦爾斯異質結。性質迥異的二維材料堆疊到一起之後可以得到令人驚奇的物理性質。近乎無限豐富的可能性使得范德瓦爾斯異質結的重要性甚至高過了二維材料本身，因為這樣的技術使人類對材料的設計變得前所未有的簡單。

對於范德瓦爾斯異質結的開創性工作始於Hone組。2010年Hone組報道了將石墨烯通過高聚物轉移到薄層氮化硼上的濕法轉移技術。由於氮化硼本身就是二維晶體，其平整度遠高於二氧化硅襯底，因此，轉移到氮化硼上的石墨烯的遷移率提高了近兩個數量級。隨後，Hone組又進一步發展了干法拾取轉移技術(圖5(a))，將石墨烯封裝到兩片薄層氮化硼之間，使得石墨烯的遷移率達到了聲子散射的理論極限，樣品的平均自由程僅由樣品的尺寸決定。正是由於這些轉移技術的發展，才使得范德瓦爾斯異質結被成功製備出來(圖5(b))。

圖5 范德瓦爾斯異質結(a)製備范德瓦爾斯異質結的方法之一，利用高聚物將二維材料逐一拾取，最後放到襯底上；(b)掃描投射電鏡下的氮化硼/石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質結的截面圖，可以清晰地看到原子層[64]；(c)掃描隧道顯微鏡下的石墨烯/氮化硼摩爾超晶格，比例尺為5 nm；(d)石墨烯/氮化硼超晶格中的Hofstadter蝴蝶；(e)由單層MoS2和單層WSe2構成的原子級PN結

最早的范德瓦爾斯異質結就是上述的石墨烯—氮化硼異質結。而進一步的研究發現，氮化硼的作用不僅僅只是一層高質量的介電材料。實驗中發現，石墨烯和氮化硼之間會由於晶格的尺寸和角度不匹配的原因，形成周期性的摩爾晶體(圖5(c))。當石墨烯和氮化硼晶向完全對齊時，摩爾晶格的周期最大，約為14 nm，隨著晶向夾角變大，周期迅速變小。而石墨烯中的電子運動也會受到摩爾晶格勢的調製。石墨烯在狄拉克點的簡併會被打開，形成一個能隙，而由於能帶在摩爾晶格中的摺疊，在費米面下方還會進一步出現兩度簡併的二階狄拉克點，並打開一個很小的帶隙。在高磁場下，這樣的摩爾晶格也給我們帶來了驚喜。一般材料的晶體勢場的空間周期小於1 nm，在10 T的磁場下，電子迴旋運動的半徑大於7 nm，這個尺度下晶格勢場的作用早已被抹平，因此對電子的朗道量子化沒有任何影響。而在石墨烯—氮化硼構成的摩爾晶體中，由於電子迴旋運動的磁長度(4 T 磁場下約為12.5 nm)與摩爾晶格的尺寸在一個數量級，電子的迴旋運動將受到晶體場的影響，因此第一次觀察到了由Hofstadter預言的分形朗道量子化，即Hofstadter 蝴蝶(圖5(d))。在極高質量的石墨烯—氮化硼摩爾晶體中，可以觀察到二維電子氣的分形能譜，即分形量子霍爾效應甚至分形分數量子霍爾效應。

而氮化硼的作用除了提供一個均勻的介電環境，還可以作為很好的封裝材料來隔絕外部環境對於二維材料的影響。比如對水氧敏感的黑磷經過氮化硼的封裝之後其遷移率大大提高，從而觀測到了量子霍爾效應。薄層的1T-TaS2和NbSe2經過封裝防止了表面的氧化，測量得到其本徵的奇異性質。更有意思的是，薄層的氮化硼雖然可以防止敏感二維材料的污染，但是電子仍然可以依靠隧穿通過氮化硼。由單層的氮化硼覆蓋的黑磷樣品仍然可以依靠隧穿導通，並且可以觀察到高質量的量子震蕩。而在兩層晶格轉角相差幾度的石墨烯之間插入薄薄的幾層氮化硼，可以觀察到共振隧穿效應和負微分電導。

由n 型半導體二維材料和p 型半導體二維材料堆疊在一起就構成了原子級的PN結。在由單層的n 型MoS2和單層的p 型WSe2構成的PN結中觀測到了二極體效應以及光伏效應(圖5(e))。但與傳統的體材料構成的PN 結不同，這樣的原子級PN 結的通斷並不是依靠控制耗盡層的厚度來實現的，其導通性完全由異質結之間主要載流子的隧穿複合決定。而如果對這樣的PN 結進行光照激發電子—空穴對，由於能帶排列的原因，電子會進入n 型的MoS2而空穴會進入p 型的WSe2。實驗上發現，在MoS2/WS2體系中，光照後的電荷轉移可以在50 fs以內發生，這樣高速的響應使得這一類范德瓦爾斯PN 結在光探測中具有很大的潛力。另外，空穴與電子在空間上的分離大大降低了激子複合率，使得激子的壽命得以延長。實驗上觀測到MoSe2/WSe2中的激子壽命可以達到1.8 ns，使得這樣的結構可能將被應用在光收集領域。實驗上，為了突破PN 結兩端材料遷移率不夠高的限制，Kim 實驗室通過堆疊一層石墨烯作為MoS2/WSe2PN結的導流電極，在532 nm波段得到了32% 的光電轉換效率。而在MoS2/GaTe PN結中，473 nm波段的光電轉換效率更是達到了60%。

除了由半導體構成的范德瓦爾斯材料，在超導二維材料NbSe2和雙層石墨烯的范德瓦爾斯界面也發現了與普通超導金屬界面不一樣的鏡面安德烈夫反射。對於普通的金屬而言，費米面所在的能帶到帶頂的能量尺度遠高於超導能隙，因此只能發生帶內的反向安德烈夫反射，從超導體入射一個電子到金屬的表面，將按照電子入射的反向軌跡出射一個空穴。而對雙層石墨烯來說，其帶隙幾乎為零，遠小於超導能隙，此時入射一個電子就可以實現帶間安德烈夫反射，出射空穴與入射電子的軌跡以界面為法線，成鏡面對稱。通過門電壓來調控石墨烯的費米面，就可以選擇是發生普通的帶內安德烈夫反射還是帶間安德烈夫反射。

上述二維范德瓦爾斯材料的例子僅僅是無限多可能性中最先被發現的一些代表。目前對於范德瓦爾斯材料的研究正處於升溫階段。隨著轉移技術的成熟和新想法的不斷湧現，可以預見越來越多的范德瓦爾斯體系將進入我們的視野，而二維材料領域除了研究二維材料本身的性質和物理，也開始向人工材料設計這個方向努力。

6 總結與展望

由於篇幅的原因，本文沒有介紹二維材料和范德瓦爾斯異質結的生長，能否以低成本生長大面積高質量的二維材料關係到了其是否在應用上有足夠的前景，而目前，大面積高質量的石墨烯、MX2等材料均已經能夠被可控生長，面內以及面外的石墨烯/氮化硼異質結、MoS2/WS2異質結也都可以運用化學氣相沉積方法生長，從而為實現二維電路和二維器件奠定了基礎。而硅烯、鍺烯、錫烯等材料只能通過分子束外延生長得到，大規模的製備還不是很成熟。對於二維黑磷，目前仍然沒有大規模單晶生長的報道。

圖6 原子層的樂高：范德瓦爾斯異質結。由不同性質的二維材料按照需求堆疊在一起，形成人工新材料。范德瓦爾斯異質結在未來擁有無限的潛力和可能性

二維材料領域發展至今，隨著技術和工藝的進步，越來越多的二維材料的性質被人們一一揭示，它們中有些在應用上具有極大的潛力，有些大大拓寬了我們對於二維體系中的物理的認知。對於二維材料的研究也催生了一批新的研究熱點，比如材料的拓撲性質。許多實驗上的新發現也已不再局限於二維平面內，而是向三維世界拓展：在二維材料領域發展的許多工藝和方法也可以拿來研究體材料或者一些薄膜材料；而另一方面我們的目標已經不僅僅滿足於原生的二維材料，而是已經逐漸邁向了創造自然界並不存在的人工范德瓦爾斯材料上去。Geim很巧妙地把范德瓦爾斯異質結比作原子層的樂高(圖6)。我們把材料解理到極致，再按我們的需要將其重新組合，以得到我們需要的性質。二維材料發展的終極目標，在於將每一個表面、每一個原子層物盡其用，隨心所欲構造我們需要的結構和功能。顯然，要實現這個目標還需要很多的努力。

本文選自《物理》2017年第4期

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