二维材料家族包含了哪些材料？

二维材料家族涵盖了绝缘体、半导体、半金属、金属和超导体，是目前凝聚态物理和材料科学领域的研究热点。制备高质量的二维材料，特别是原子层量级的超薄材料，是开展本征物性研究和探索新现象的基础。

随着研究的深入，多种二维材料的制备手段逐渐发展起来，包括化学气相沉积法（CVD），分子束外延法（MBE）、液相剥离法和机械解理法等。化学气相沉积法可以制备大面积的二维材料，但对于不同材料制备工艺差异很大，在单晶性、缺陷、层数等方面难以控制，为深入研究二维材料的性质带来了挑战；分子束外延法可以获得单晶质量很高的样品，但对于真空度、元素的物理性质以及基底的选择都有极高的要求，很多二维材料难以通过MBE方法制备，并且在某些材料体系中（如单层FeSe），分子束外延法生长的二维材料与基底存在显著的相互作用，影响到对于材料本征物性的研究。液相剥离法可以实现二维材料的量产化制备，对于工业化应用有重要应用潜力，但这种制备方法在制备过程中会引入缺陷和液相污染，不利于研究二维材料的本征性质。

2004年，诺贝尔物理学奖得主Geim教授和Novoselov教授最早发展出了机械解理技术，并获得了单层石墨烯，掀起了二维材料的研究热潮。近十年来，机械解理技术已被广泛应用于制备各种高质量的二维材料。石墨烯、MoS2以及单层高温超导材料Bi2212等诸多材料的本征物理性质，都是在机械解理的样品上观察到。在异质结和转角石墨烯等人造晶体中，机械解理的样品也同样展现出独特的优势。机械解理的样品与基底相互作用弱，制备过程简单，样品质量高，这些优势使得该方法在二维材料研究中获得了极大的成功。但是随着研究的深入，人们发现该方法同样存在许多不足，特别是制备效率低和样品尺寸小等问题，限制了许多先进的实验手段如扫描隧道显微镜（STM）、红外-太赫兹光谱以及角分辨光电子能谱（ARPES）对二维材料的研究。

2015年，美国布鲁克海文国家实验室的黄元博士和Peter Sutter教授与中科院物理所高鸿钧院士合作，提出了利用氧气等离子体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）），成功获得了毫米量级的单层石墨烯和高温超导材料Bi2212，这使得研究大面积单层单晶石墨烯和Bi2212的更多物理性质成为了可能。

2020年5月15日，Nature Communications在线报道了中科院物理所周兴江研究团队、高鸿钧院士团队与中国人民大学季威教授在机械解理技术领域的最新研究成果（DOI： 10.1038/s41467-020-16266-w）。在该文章中，研究人员发展了一种金膜辅助的普适性机械解理方法，可以用于获得大尺寸超薄二维材料。中国人民大学博士研究生潘宇浩系统地计算了58种层状材料体系与金基底的相互作用 （图1），结合元素周期表中不同元素的相互作用规律，指出层状材料的最外层元素和基底的相互作用是影响机械机理最关键的因素，针对最外层元素含有VA，VIA，VIIA主族的层状材料，可以采用金膜辅助的解理方法。中科院物理所黄元副研究员和杨蓉副研究员在实验上成功实现了对40种二维材料的大面积解理，单层二维材料尺寸在毫米量级以上（图2和图3）。

图1. 不同层状材料自身层间结合能以及与金相互作用能的对比。

图2. 机械解理获得多种大面积高质量超薄二维材料。（a） 新型机械解理的步骤; （b-e） 不同基底上解理得到的大面积MoS2; （f-g） 解理得到的多种大面积二维材料；（h-j） 异质结及悬空二维材料的拉曼光谱及荧光光谱。

图3. 解理得到的多种二维材料的光学照片。

由于二维材料层间是范德华相互作用，而金和许多二维材料可以形成准共价键，这种相互作用远大于范德华相互作用，因此可以在衬底蒸镀金膜，在不影响材料本征物性的前提下高效地解理出大面积的单层样品。更为重要的是，这种解理方法可以实现多方面的调控。首先，这种解理方法无需连续的金膜，可以高效实现悬空样品的制备，这为研究材料的本征光学性质和输运性质提供了理想的研究体系；其次，这种方法可以实现基底导电性的调控，针对不同的实验要求，可以选择性地改变基底的导电和绝缘。针对STM和ARPES等需要基底导电的真空研究手段，可以通过增加金膜的厚度，直接将二维材料解理到金膜上，并观察到清晰的原子结构和能带结构 （图4）；而针对荧光光谱和电输运测量，可以将金属膜的厚度控制在3 nm以下，形成绝缘性的金属岛，从而获得良好的荧光信号和高开关比的场效应晶体管 （图5）。

图4. 在大面积的单层样品上获得的原子图像、低能电子衍射斑点及能带结构图。

图5. 通过控制金属膜的厚度，可以获得绝缘的金属膜，可以在器件中实现高开关比和超导特性测量。

此外，研究团队利用该技术在国际上首次解理出大面积的单层FeSe， PtTe2，PdTe2等材料，为后续开展一些新材料物性的探索打下了良好的基础。该解理方法展现出了非常好的普适性，可以在透明基底、柔性基底上实现有效解理，为多种光学研究、柔性器件研究提供了新思路。

这一研究成果首次给出了针对不同层状材料的普适性解理规律，对于探索更多二维材料的新奇物理性质具有重要的推动作用，也为未来大面积晶圆级二维材料的制备和应用提供了新的可能性。在该工作中，中科院物理所黄元副研究员、杨蓉副研究员和中国人民大学潘宇浩博士为本论文共同第一作者，中国人民大学季威教授、内布拉斯加林肯大学Sutter教授、中科院物理所周兴江研究员和中科院物理所高鸿钧院士为本文的通讯作者。本工作得到了科技部、基金委、中科院、中国人民大学以、中科院物理所N07组、广东松山湖实验室以及上海超算中心的大力支持。
责任编辑:pj