在Novoselov和Geim于2004年通過(guò)機(jī)械剝離方法成功地制備出石墨烯之后，二維材料的最新進(jìn)展為延續(xù)摩爾定律提供了可能。為了彌補(bǔ)零帶隙石墨烯的缺點(diǎn)，越來(lái)越多的具有一定帶隙的二維材料（如過(guò)渡金屬硫族化合物（TMDS，MX2）、黑磷（BP）和InSe材料等）被合成出來(lái)，并且在相關(guān)物理性質(zhì)和器件研究方面也取得了重大進(jìn)展，從而為延續(xù)摩爾定律提供了更大的希望。

1.二維各向異性材料的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)

二維材料因其卓越的物理光電性質(zhì)受到廣泛關(guān)注。近些年來(lái)，科研工作者們發(fā)現(xiàn)了二維材料的一種特殊的性質(zhì)——面內(nèi)各項(xiàng)異性。其各向異性主要表現(xiàn)在材料的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)在平面內(nèi)的角度依賴性。

在最近的一篇綜述論文中，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的魏鐘鳴課題組和譚平恒課題組，從材料的結(jié)構(gòu)，拉曼光譜和光電性質(zhì)三個(gè)方面，系統(tǒng)的總結(jié)了目前研究前沿的二維各向異性材料。文章中主要對(duì)黑砷（B-As）、黑磷（B-P）、砷化鍺（GeAs）、錫化亞鍺（GeSe）、三硫化鈦（TiS3）、硒化錸（ReSe2）和KP15等材料的各向異性進(jìn)行了詳細(xì)的分析。其晶體結(jié)構(gòu)如下圖所示。具有面內(nèi)各向異性的材料均有低對(duì)稱性的晶體結(jié)構(gòu)。

圖1. 二維各向異性材料的晶體結(jié)構(gòu)，包括：(a)正交晶系的黑As；(b)正交晶系的黑P；(c)單斜晶系的GeAs；(d)正交晶系的GeSe；(e)三斜晶系的KP15；(f)單斜晶系的TiS3；(g)三斜晶系的ReSe2。

在目前的研究進(jìn)展中，黑磷的各向異性是最強(qiáng)的。在1550 nm 的偏振光照射下，二向色性比高達(dá)8.7。與黑磷有著相同晶體結(jié)構(gòu)的二維材料黑砷也展現(xiàn)出了優(yōu)良的面內(nèi)各向異性性質(zhì)，其電導(dǎo)的各向異性比高達(dá)6.7。以黑磷、黑砷為開創(chuàng)性的結(jié)構(gòu)模型，研究者們發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多具有各向異性的二維材料。同時(shí)人們?nèi)栽诓粩嗵剿鞲€(wěn)定、各向異性更強(qiáng)的二維材料。各向異性材料在光探測(cè)和新概念器件上有很大的應(yīng)用潛能。相信在科研人員的共同努力下，二維各向異性材料終將會(huì)應(yīng)用到我們的生活中，使生活更加豐富多彩。

2.原子級(jí)的薄α-In2Se3：一種新興的二維室溫鐵電半導(dǎo)體

鐵電體從發(fā)現(xiàn)至今已有近百年研究歷史，由于其獨(dú)特的物理性質(zhì)與豐富的器件應(yīng)用始終吸引著眾多研究者的廣泛關(guān)注。然而，由于傳統(tǒng)鐵電材料的臨界尺寸效應(yīng)，二維鐵電物性的研究遲滯不前，微納鐵電器件的發(fā)展也受到了極大的制約。近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)，在二維范德華層狀材料中，可控的鐵電極化能穩(wěn)定存在于室溫大氣環(huán)境下，從而能夠在二維極限厚度上實(shí)現(xiàn)二維鐵電性，為超薄鐵電器件的制備與研究提供了材料基礎(chǔ)。

中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)耦合量子物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾華凌教授綜述了近年來(lái)二維鐵電物性研究的相關(guān)進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了近期二維α-In2Se3中室溫鐵電性的理論預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及器件演示。室溫下穩(wěn)定存在的二維α-In2Se3鐵電體，有希望突破傳統(tǒng)鐵電材料所面臨的尺寸瓶頸，有助于進(jìn)一步在二維極限下研究鐵電極化、鐵電疇結(jié)構(gòu)以及進(jìn)而設(shè)計(jì)微納鐵電器件。此外，α-In2Se3面內(nèi)-面外方向鐵電極化鎖定的獨(dú)特性質(zhì)，也為利用面內(nèi)方向電場(chǎng)進(jìn)行面外方向電極化的正交調(diào)控提供了機(jī)會(huì)。

圖. 基于少層α-In2Se3的二維非易失鐵電存儲(chǔ)器

3.聚合物輔助沉積的大尺寸二維材料的合成、性能及應(yīng)用

自從2004年成功剝離了單層石墨烯，揭示了二維材料具有優(yōu)良的物理性能。這些新奇的性能激勵(lì)了許多基礎(chǔ)研究和眾多應(yīng)用領(lǐng)域，諸如：電子學(xué)，光子學(xué)，壓電學(xué)和自旋電子學(xué)。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法相比，聚合物輔助沉積法（PAD）具有低成本，大面積，易摻雜和保形涂層等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)聚合物輔助沉積法制備出來(lái)的材料，已經(jīng)成功應(yīng)用于柔性透明電路，光電探測(cè)器和基于褶皺的器件。

西安交通大學(xué)理學(xué)院張磊教授和清華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院劉鍇教授綜述了近年來(lái)在二維材料合成中PAD的研究進(jìn)展。首先，介紹了PAD的原理和工藝步驟。其次，介紹了二維材料包括石墨烯、MoS2和MoS2/玻璃狀石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)等以證明PAD的重要性，并為讀者提供評(píng)估該方法的機(jī)會(huì)。最后，討論了該領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展前景和面臨的挑戰(zhàn)。本文提出了一種制備二維層狀材料的新技術(shù)，并對(duì)二維層狀材料的新應(yīng)用具有一定的啟發(fā)意義。

圖2. 聚合物輔助沉積方法生長(zhǎng)薄膜的應(yīng)用。

4.石墨烯上生長(zhǎng)薄層抗氧化晶體硅納米結(jié)構(gòu)

North Carolina大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系張勇教授報(bào)道了石墨烯基板上Si納米結(jié)構(gòu)薄膜以及納米顆粒的生長(zhǎng)。通過(guò)觀察在520 cm-1附近波長(zhǎng)單晶Si拉曼模式，結(jié)合在周圍環(huán)境條件下有序表面結(jié)構(gòu)的STM圖像以及其與石墨形成的肖特基結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)出的Si納米結(jié)構(gòu)為單晶結(jié)構(gòu)，且這種結(jié)構(gòu)在空氣中穩(wěn)定性好并可以抗氧化。超薄硅區(qū)域表現(xiàn)出了類似硅烯的行為特征，包括在550 cm-1附近的拉曼模式、STM圖像中具有與石墨烯或更厚的Si明顯不同晶格間距的三角形晶格結(jié)構(gòu)、金屬電導(dǎo)率比石墨高出500倍等。本文提出了一種自下而上在大規(guī)模石墨烯襯底上生長(zhǎng)Si納米結(jié)構(gòu)陣列的方法，采用這種方法制成的襯底可用于生產(chǎn)納米級(jí)Si電子器件。

圖1. 石墨襯底上外延Si的SEM圖像。(a)和(b)為S1上的兩個(gè)區(qū)域；(c)和(d)為S2上的兩個(gè)區(qū)域。

5.用Dirac-like方程和Schr?dinger方程計(jì)算的石墨烯納米帶隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管中隧道電流的比較

印度尼西亞Pendidikan大學(xué)電子材料研究部物理系Endi Suhendi教授對(duì)石墨烯納米帶隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管（GNR-TFET）中的隧穿電流進(jìn)行了量子力學(xué)建模。基于Dirac-like方程和Schr?dinger方程的計(jì)算，比較了GNR-TFET中的隧道電流。本文采用數(shù)值方法即轉(zhuǎn)移矩陣法（TMM）計(jì)算電子透射率，并使用Launder公式計(jì)算隧道電流。結(jié)果表明，相同的參數(shù)下使用兩個(gè)方程計(jì)算的隧道電流即使數(shù)值不同，但仍具有相似的特征。文中應(yīng)用Dirac-like方程計(jì)算的隧道電流值低于使用Schr?dinger方程計(jì)算的隧道電流。

圖3. (a)Schr?dinger和Dirac-like方程計(jì)算得不同氧化層厚度下的隧道電流隨漏極電壓的變化曲線；(b)Dirac-like方程計(jì)算得不同氧化層厚度下隧道電流隨漏極電壓的變化曲線。

6.雙層銻烯-金屬界面

場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為現(xiàn)代大規(guī)模集成電路中非常重要的電子元件，在集成電路存儲(chǔ)器和傳感器等現(xiàn)代電子應(yīng)用中有非常廣泛的應(yīng)用。日新月異的電子產(chǎn)品行業(yè)發(fā)展也迫使行業(yè)對(duì)電路性能、晶體管的集成尺寸提出了更高的要求。二維半導(dǎo)體作為一種非?？煽康臏系啦牧线x擇，其超薄的厚度能夠規(guī)避簡(jiǎn)單縮小器件尺寸帶來(lái)的短溝道效應(yīng)。除此之外，二維半導(dǎo)體的表面平整，沒(méi)有缺陷態(tài)或懸掛鍵，可以抑制粗糙表面帶來(lái)的散射并且提高載流子遷移率?；硕S半導(dǎo)體材料作為晶體管溝道的輸運(yùn)性質(zhì)就變得非常重要。由于缺少可行的手段，實(shí)驗(yàn)上通常將二維半導(dǎo)體與金屬接觸以達(dá)到摻雜狀態(tài)。然而，兩者接觸面處通常會(huì)形成肖特基勢(shì)壘，阻礙載流子的移動(dòng)。

碲烯是一種具有高載流子遷移率、高開關(guān)比和優(yōu)異的空氣穩(wěn)定性的二維半導(dǎo)體材料，北京大學(xué)物理學(xué)院呂勁教授通過(guò)第一性原理模擬計(jì)算對(duì)雙層碲烯-金屬電極的界面性質(zhì)做出有效的計(jì)算，并為實(shí)驗(yàn)上基于雙層碲烯晶體管的金屬電極選擇提供參考。

圖7. (a)基于功函數(shù)近似(Φe/hL,W)和量子輸運(yùn)模擬(Φe/hL,T)方法得到的BL碲烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電子和空穴SBH的比較；(b)橫向SBH與電極材料功函數(shù)的關(guān)系圖。藍(lán)線和粉線分別表示用于功函數(shù)近似和量子輸運(yùn)模擬得電子SBH的擬合線。粉色透明橢圓表示在量子輸運(yùn)計(jì)算中可以克服體金屬電極電子SBH的最小橢圓面積；(c)BL碲烯晶體管中費(fèi)米能級(jí)釘扎（FLP）示意圖。

7.原子級(jí)薄層AuSe的電子能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)：第一原理計(jì)算

通過(guò)分離范德華層狀晶體制備新型二維單層或多層材料，二維新材料家族在近十年來(lái)被不斷擴(kuò)大。它們擁有許多常規(guī)塊體材料所不具有的新奇性質(zhì)，這主要得益于納米尺度所特有的量子限域效應(yīng)及表面效應(yīng)。例如具有高載流子遷移率的二維半導(dǎo)體黑磷，非常有望作為新一代FET溝道材料以解決目前低于10 nm制程的集成電路中明顯的短溝道效應(yīng)。又比如過(guò)渡族金屬硫化合物（TMDCs），自從具有高開關(guān)比的二維MoS2被報(bào)道后它們就作為一個(gè)大家族吸引著廣大研究者的研究興趣。然而這些材料都很不湊巧地存在一些致命的缺陷——黑磷在空氣中會(huì)迅速分解，而MoS2的載流子遷移率過(guò)低。

因此，人們依然處于不斷搜尋的進(jìn)程中，以期獲得具有合適性能的新型二維材料。在此過(guò)程中，過(guò)渡族金屬硫化物的金屬元素與硫元素計(jì)量比被發(fā)現(xiàn)不必拘束于常規(guī)的1:2的形式，同時(shí)過(guò)渡族金屬也不僅限于常見(jiàn)的Mo與W，這將成為擴(kuò)展這一家族的又一新途徑。沿著這一思路出發(fā)，南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院曾海波教授發(fā)現(xiàn)了具有范德華層狀結(jié)構(gòu)的貴金屬硒化物AuSe，它的二維形式是具有獨(dú)特幾何結(jié)構(gòu)的單層晶體。計(jì)算結(jié)果表明這種新型二維材料是一種禁帶寬度為2.0 eV的間接帶隙半導(dǎo)體，具有良好的動(dòng)力及熱力學(xué)穩(wěn)定性。這種新材料的吸收光譜仿真結(jié)果表明它對(duì)深紫外波段的入射光具有高吸收率，意味著這種新型二維半導(dǎo)體對(duì)深紫外光具有較高的響應(yīng)度。研究結(jié)果預(yù)示二維AuSe有潛力被應(yīng)用在日盲型光電探測(cè)相關(guān)領(lǐng)域，也為對(duì)它進(jìn)一步的應(yīng)用發(fā)掘提供了理論依據(jù)。

圖1. (a)2×2×1超大單元的體AuSe結(jié)構(gòu)；(b)俯視圖下二維AuSe結(jié)構(gòu)；(c)側(cè)視圖下二維AuSe結(jié)構(gòu)；(d)單層AuSe和黑P的解理能。

8.Mo1-xWxSe2合金的襯底和層間耦合效應(yīng)

二維（2D）過(guò)渡金屬硫?qū)倩锖辖鸩牧系膸犊赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)成分控制，使其在光電探測(cè)器方面有著潛在的應(yīng)用。帶隙工程的研究對(duì)于2D材料在器件中的應(yīng)用非常重要。

華東師范大學(xué)電子工程系多維信息處理上海重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳幸教授利用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法在云母、藍(lán)寶石和SiO2/Si襯底上生長(zhǎng)了Mo1-xWxSe2合金，首次成功的利用CVD方法在云母襯底上合成Mo1-xWxSe2合金。利用光致發(fā)光（PL）光譜儀技術(shù)研究襯底和層間耦合效應(yīng)對(duì)所制備的Mo1-xWxSe2合金光學(xué)帶隙的影響，發(fā)現(xiàn)所使用的襯底對(duì)所制備的Mo1-xWxSe2的光學(xué)帶隙影響較小，層間耦合效應(yīng)對(duì)所制備的Mo1-xWxSe2光學(xué)帶隙的影響大于襯底效應(yīng)。這些研究結(jié)果為今后研究二維合金材料的生長(zhǎng)和物理性質(zhì)提供了新的途徑。

圖Mo1-xWxSe2合金在SiO2/Si、云母和藍(lán)寶石襯底上的PL光譜

9.混合納米結(jié)構(gòu)中磁偶極子共振對(duì)石墨烯的寬帶寬吸收

石墨烯由于具有優(yōu)越的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)特性，因此其自被發(fā)現(xiàn)后一直是科研的研究熱點(diǎn)。提高石墨烯吸收效率是研究熱點(diǎn)之一，由于石墨烯僅有一個(gè)原子層的厚度，所以其在可見(jiàn)光和近紅外波段吸收效率僅有2.3%，這嚴(yán)重限制其在太陽(yáng)能電池和光電探測(cè)器上的應(yīng)用。為此許多科研工作者提出不同的方法以提高石墨烯的吸收效率，但是可以發(fā)現(xiàn)他們僅僅在很窄的波段內(nèi)提高石墨烯的吸收效率，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)石墨烯寬波段高吸收效率。

衢州理工學(xué)院信息工程學(xué)院江孝偉教授提出利用混合納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在提高石墨烯吸收效率的同時(shí)具有寬吸收帶寬，具體結(jié)構(gòu)如下圖所示，石墨烯夾雜在Ag光柵和二氧化硅之間。在該混合納米結(jié)構(gòu)中，三個(gè)光柵條具有不同的寬度，因此三個(gè)不同的光柵條可以激發(fā)出不同的磁激元共振，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整三個(gè)光柵條之間的距離，可以使三個(gè)不同的磁激元共振疊加，從而實(shí)現(xiàn)石墨烯的寬吸收帶寬，經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算可得，該混合納米結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)311 nm的吸收帶寬（吸收效率大于30%）?；诒疚奶岢龅幕旌霞{米結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步的加快石墨烯在太陽(yáng)能電池上的應(yīng)用。

圖1. 文中提出的可以擴(kuò)大石墨烯吸收帶寬的混合納米結(jié)構(gòu)。