百科|总览二维材料大家族，不只有石墨烯-石墨烯产业专题

百科|总览二维材料大家族，不只有石墨烯

时间:2019-12-03 作者: 来源:石墨烯网（Cnpowder旗下微门户）

2004年，曼彻斯特大学Geim和Novoselov两位科学家用胶带剥离出了石墨烯，石墨烯的发现推翻了所谓的“热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在”的原有认知，震撼了整个科学界。至此，材料研究领域终于进入了二维光电材料时代，其研究热潮一直延续到十几年后的今日仍未退散。

在这期间，其他的二维材料相继被人们发现。二维材料所组成的大家族越发壮大，新发现的许多二维材料有着比石墨烯还要优异的性能，二维材料由于在不同温度下可能具有高载流子迁移率和高导热率，因而有望在高精度传感器、电子工业、气体分离与储存、催化、薄膜等诸多领域中有较好的应用前景。

二维材料大家族

二维材料经过这么多年的发展，产生了许多二维材料，这些二维材料有着各种各样的电学性质（金属、半金属、半导体和绝缘体），也呈现了很多优异的物理特性（超导，热电效应，电荷密度波等），使其在很多方面有巨大的应用前景,如自旋电子学，光电子学，化学和生物传感器，超级电容，太阳能电池和锂离子电池等。

以下是在二维材料中相对成熟的几类热门材料，通过它们可以较为全面认识到当前的二维材料发展状况。

石墨烯

石墨烯，开启了二维材料研究之路，也是目前最为成熟，工业化应用最高的二维材料。

石墨烯具有结构稳定、导电性高、韧度和强度高等突出的物理化学性质，被誉为“新材料之王”，已经应用在电子、储能、复合材料、航空航天等诸多领域。

石墨烯应用市场预期（到2025年）

硅烯

硅烯是与石墨烯相似的化合物，但它更倾向于sp3杂化，因此，直到单层/多层硅纳米管(SiNT)被合成之后，科学界才开始相信合成硅烯的可能性。

硅与碳同属于元素周期表的IV族元素，同样在自然界和材料学中有着重要的位置。2007年，Guzman-Verri等人重新计算了这种类石墨烯的单层硅结构，发现硅也可以形成单原子层结构，并且具备与石墨烯类似的电子结构，他们将这种单原子层的硅结构命名为硅烯。

Pt(111)表面锗烯的结构

与石墨烯和硅烯相比，锗烯具有更大的原子序数，所以其体系中会有更强的自旋-轨道耦合，使锗烯在狄拉克点可以打开更大的能隙。另外，理论计算还表明掺杂的锗烯有希望成为高温超导体。

但不足之处在于锗烯易被氧化，在空气中不能稳定存在，因此较难被应用于器件。

锡烯

锡(Sn)也隶属于碳族，位于锗元素的下方。类石墨烯二维晶体材料-锡烯，被预测可能具有非同寻常的物理特性。

2013和2014年，理论物理学家预言锡烯可能是一种可以工作在室温条件下的二维拓扑绝缘体，这种优异的性质使得锡烯在未来更高集成度的电子学器件应用方面具有巨大的应用前景。

铪烯

铪(Hf)是过渡金属元素，外壳层为d电子，与传统二维材料的p电子相比，含有d电子的过渡金属元素具有更加多样化的物理与化学性质，并且大多数具有自旋极化的性质。

2013年，李林飞等人发现了制备铪烯二维原子晶体的方法。他们选用Ir(111)基底，利用电子束蒸发源将金属铪沉积到表面，通过后续退火理得到了规则有序结构。结合STM和LEED表征以及DFT计算，他们确认了单层平面二维蜂窝状的铪烯结构。