成果介紹

二維材料因其范德華組裝技術(shù)的突破，正在重塑材料科學(xué)領(lǐng)域。該技術(shù)能夠?qū)⒕哂绣漠愲娮咏Y(jié)構(gòu)的超薄材料層進(jìn)行堆疊，從而構(gòu)建出具有可調(diào)控特性的人工異質(zhì)結(jié)構(gòu)與器件，突破了傳統(tǒng)方法在晶體結(jié)構(gòu)匹配、晶格常數(shù)契合以及構(gòu)成材料與支撐基底幾何形狀限制等方面的局限。

二維材料展現(xiàn)出非凡的機(jī)械柔韌性、由激子響應(yīng)驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)光物相互作用、原子色心的單光子發(fā)射、亞納米薄膜中的穩(wěn)定鐵磁性、高質(zhì)量器件中的分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，以及超高比表面積下的化學(xué)選擇性。因此，具有原子級(jí)平整界面的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出前所未有的力學(xué)、化學(xué)、光電與磁學(xué)特性交織現(xiàn)象。這為基于復(fù)雜材料內(nèi)外相互作用的多屬性傳感技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，并能對(duì)環(huán)境中的外部刺激產(chǎn)生穩(wěn)健響應(yīng)。

鑒于此，新加坡國(guó)立大學(xué)Maciej Koperski團(tuán)隊(duì)以“Two-Dimensional Materials as a Multiproperty Sensing Platform”為題在期刊《Advanced Functional Materials》發(fā)表綜述。本綜述總結(jié)了二維材料在傳感應(yīng)用領(lǐng)域的最新進(jìn)展，重點(diǎn)探討了范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)如何憑借其原子級(jí)厚度與獨(dú)特材料組合，在實(shí)現(xiàn)超高靈敏度、同步響應(yīng)多重外部刺激方面展現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，并介紹了具有概念創(chuàng)新性的傳感方法論。

圖文導(dǎo)讀

圖1. 二維材料的多屬性傳感。本示意圖展示了二維材料具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的多種傳感模式，包括：1）光電與磁學(xué)特性的交織效應(yīng)；2）原子尺度缺陷中心的量子特性，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境傳感的終極微型化；3）二維材料與掃描探針的集成，用于定制化的針尖-表面相互作用；4）耦合多種量子自由度的二維納米鼓納米機(jī)械運(yùn)動(dòng)；5）超大比表面積下的生物與化學(xué)傳感。

圖2. 基于二維材料光電效應(yīng)的傳感。

圖3. 基于量子缺陷的傳感。

圖4. 用于掃描探針顯微鏡的二維材料。

圖5. 利用納米機(jī)械膜諧振器傳感磁性。

圖6. 基于二維材料的生物與化學(xué)傳感。

結(jié)論與展望

二維材料憑借其原子級(jí)厚度、優(yōu)異的機(jī)械柔性和獨(dú)特的量子特性，正成為構(gòu)建下一代高靈敏度、多屬性傳感器的理想基石。通過(guò)范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究者能夠?qū)⒐狻㈦?、磁等多種功能前所未有地融合在一起，開(kāi)辟了全新的傳感范式。目前，該領(lǐng)域已在光電子學(xué)、量子缺陷、掃描探針、納米機(jī)械和生化傳感等多個(gè)方向展現(xiàn)出巨大潛力，例如利用光學(xué)手段探測(cè)量子相、用單原子缺陷進(jìn)行高精度傳感、以及開(kāi)發(fā)功能化的掃描探針等。然而，該技術(shù)走向成熟仍面臨關(guān)鍵挑戰(zhàn)，包括材料合成的可重復(fù)性、器件制造的大規(guī)?；偷讓游锢頇C(jī)制的深入理解。未來(lái)的發(fā)展將聚焦于建立標(biāo)準(zhǔn)化的材料組裝法則、克服制造瓶頸，并最終推動(dòng)二維傳感器從實(shí)驗(yàn)室的孤立演示走向?qū)嶋H應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理、化學(xué)和生物環(huán)境的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。

文獻(xiàn)鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202516728