Advanced Functional Materials:材料领域中的乐高新玩法:二维材料堆叠技术

“There’s Plenty of Room at the Bottom”费曼先生在1959年加州理工物理年会上如是说到。近年来,二维材料及其堆叠结构的广泛研究无疑再次证实了这个预言。二维材料堆叠技术并非特定的某种操作,而是包括二维材料的制备、转移、堆叠、转角等一系列操作在内的纳米加工技术。不同于具有固定晶格结构的三维体材料,二维材料在单一尺度上可以达到原子级别。这一特性使得研究人员可以像乐高玩具一样按照自我意愿将不同性能的二维材料进行自由堆叠组装,从而获得具有优异特性和新奇应用的人工结构,如垂直范德华异质结、转角多层二维材料、混合维异质结等。这类技术突破了单一材料的性能限制,为二维材料的研究带来了新的维度,在电学,光学、磁学等基础物理领域和纳米器件、生物传感等应用科学研究中均发挥了不可忽视的作用。由于二维材料堆叠角度不同而对晶格结构和能带类型的调制能够带来新颖的物理特性,例如高温超导和巨磁阻效应。同时,二维材料与其他纳米结构的堆叠组合在微型电子器件,高灵敏度生物传感器,柔性可穿戴设备领域亦取得了不俗的成果。

近日,南开大学物理科学学院刘智波、田建国教授团队在Advanced Functional Materials期刊发表了题为“Stacking of Two-Dimensional Materials”的综述文章,总结概括了近年来二维材料堆叠技术的研究进展。其中包括改良的机械剥离法、反应刻蚀减薄法、化学气相沉积法、液相剥离法等高质量二维材料制备技术,同时还介绍了干/湿法转移、微区堆叠、高精度角度控制、超净表面处理、深度机器学习与自动化组装等二维材料堆叠结构加工技术。此外文章还归纳总结了2D-0D、2D-1D和2D-3D的二维材料混合维堆叠结构在不同领域的应用。

作者指出,二维材料堆叠技术是获得高质量、自由可控、具有原子精度纳米结构的强力策略。但目前这类技术依旧存在的重复性差、操作繁琐、过于依赖人工经验等不足,同时指出该领域面临的纳米级别定点转移、小于0.01°的角度控制、全自动化生产等挑战。未来,如何实现高质量,高精度,和高效率的样品制备将是堆叠技术研究的重点。基于二维材料堆叠结构的研究在基本物理领域是一大研究热点,同时在混合维结构和多学科交叉领域中亦具有无限的潜力。可以预见,随着二维材料堆叠技术的发展,必将在更多领域显示出其价值,为我们带来更多独特的性质和新奇的现象。