當今最熱門的材料是誰？鈣鈦礦？MOF？如果你看一下最近一年以來Science、Nature的研究論文，就會發現，誰都比不上二維材料。
二維材料是一個很特別的材料體系，其在催化、儲能、凈水、氣體分離、光電器件、凝聚態物理、生物醫療、材料生長等研究方向吸引了一大批研究者。早期的文章以濕化學制備居多，目前逐漸過渡到高質量/大規模制備、實際應用探索、新穎性質表征、新奇物理現象等重點方向。
得益于魔角石墨烯的異軍突起，以石墨烯和二維范德華異質結為代表的二維材料近年來可謂風光無限。除了石墨烯和范德華異質結之外，各種新型二維材料的研究也層出不窮，不斷刷新我們的認知。2020年以來，僅Science/Nature兩大雜志上，就有超過18篇研究論文是關于二維材料。其中，關于石墨烯的6篇論文，我們之前已經系統總結過。今天，我們主要總結一下石墨烯之外的二維材料的10項最新研究，希望相關研究人員能把握最新趨勢，了解其熱點、重點、難點。
1. Science：撕出大尺寸單晶二維材料
Fang Liu et al,Disassembling 2D van der Waals crystals into macroscopic monolayers and reassemblinginto artificial lattices, Science, 2020.
DOI:10.1126/science.aba1416
2. Science：本征磁性拓撲絕緣體MnBi2Te4中的量子異常霍爾效應
在磁性拓撲絕緣體中，非平整帶拓撲結構與磁階相的結合可以產生奇特的物質狀態，例如量子異常霍爾（QAH）絕緣體和軸突絕緣體。復旦大學的張遠波, Jing Wang和中國科學技術大學的陳仙輝院士團隊研究了MnBi2Te4薄片中的量子傳輸，該薄片具有本征磁序。
在該層狀范德華晶體中，鐵磁層彼此反平行耦合；但是，當樣品具有奇數個樣品層時，原子上薄的MnBi2Te4會變成鐵磁性。并在1.4 K的五層七層樣品中觀察到零場QAH效應，并且外部磁場通過鐵磁性對齊所有層進一步將量化溫度提高到6.5 K。發現的MnBi2Te4是進一步探索各種拓撲現象的理想場所。
Yujun Deng etal, Quantum anomalous Hall effect in intrinsic magnetic topological insulatorMnBi2Te4, Science, 2020.
DOI:10.1126/science.aax8156.
https://science.sciencemag.org/content/367/6480/895
3. Nature：首次實現二維冰的邊界和生長結構的高分辨成像
經過了近一百年的研究和探索，迄今人們已經發現了冰的18種晶相（三維冰相）。然而，冰在二維極限下是否能獨立穩定存在？這個問題有很大的爭議。有鑒于此，北京大學江穎，徐莉梅，王恩哥，美國內布拉斯加大學林肯分校曾曉成等通過精確控制溫度和水壓，成功在疏水的金襯底（Au(111)）上生長出了一種單晶二維冰結構，這種二維冰可以完全鋪滿襯底。
作者進一步利用基于一氧化碳針尖修飾的非侵擾式原子力顯微鏡成像技術，借助高階靜電力，實現了二維冰的亞分子級分辨成像，并結合理論計算確定了其原子結構。結果表明，這種二維冰由兩層六角冰無旋轉堆垛而成，兩層之間靠氫鍵連接，每個水分子與面內水分子形成三個氫鍵，與面外水分子形成一個氫鍵，因此所有的氫鍵都被飽和，結構非常穩定，與襯底相互作用很弱，是一種本征的二維冰結構。
Runze Ma,Duanyun Cao, Chongqin Zhu, Ye Tian, Xiao Cheng Zeng*, Li-Mei Xu*, En-Ge Wang,*Ying Jiang*, et al. Atomic imaging of the edge structure and growth of atwo-dimensional hexagonal ice. Nature, 2019
DOI:10.1038/s41586-019-1853-4
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1853-4
4. Nature: 鐵電薄膜中迷宮結構域圖案的逆轉變
相分離是一個協同過程，其動力學為介觀尺度上的疇結構的有序形態形成提供了基礎。高度簡并的凍結狀態系統可能會出現罕見且違反直覺的逆對稱破壞現象。阿肯色大學Y. Nahas團隊研究發現，在亞臨界淬火后，Pb(Zr0.4Ti0.6)O3超薄膜中鐵電疇的非平衡自組裝會導致形成迷宮或迷宮式圖案，并具有曲折的條紋疇。此外，隨著溫度的升高，這種高度簡并的迷宮相經歷了逆轉變，由此在高溫下順電開始之前，其轉變為不太對稱的平行條紋疇結構。研究發現，該相序可歸因于疇壁的熵增加，而疇域的拉直和粗化主要由拓撲缺陷的松弛和擴散驅動。BiFeO3中逆偶極轉變的計算模型和實驗觀察表明，該現象在鐵電氧化物中具有普遍性。通過在鐵電薄膜中實現根本上的新設計原理和拓撲上增強的功能，可以在當前領域和基于域壁的技術之外使用許多自構圖狀態及其所體現的各種拓撲缺陷。
Inversetransition of labyrinthine domain patterns in ferroelectric thin films，Nature，2020
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1845-4
4. Nature：規模化制備超穩定的TMC二維材料
二維材料的實際應用，和許多其他新興材料一樣，依然受到材料規模化的制約。將單層TMC集成到功能器件中長期面臨的一個關鍵問題在于：在環境條件下，金屬相單層TMC穩定性往往不超過一個月。北京航空航天大學的楊樹斌研究團隊聯合美國萊斯大學PulickelM. Ajayan等人通過摻雜策略故意引入雜質，發展了一種生產空氣中超級穩定的二維材料的新方法，所制得的單層TMC在環境條件下可以穩定存在一年以上。這種方法可以直接將非范德華固體材料轉變為單層TMC，極具普適性，且操作簡便，成本低廉，非常適合工業生產，將二維材料的應用極大地推向了市場商業化。
Zhiguo Du et al. Conversion of non-vander Waalssolids to 2Dtransition-metal chalcogenides. Nature 2020, 577, 492–496.
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1904-x2
5.Nature：單層非晶態碳材料的合成及性能研究
晶態材料和非晶態材料到底有什么區別？早在1932年，Zachariasen提出Z-CRN模型，認為無定形材料與其晶體類似物包含相同的鍵合單元，但這些單元形成連續的隨機網絡（Z-CRN）而不是周期性結構。而另一種模型，競爭模型認為，無定形材料與其晶體類似物的內部原子結構完全不用，非晶材料中也存在晶界分隔的納米級晶粒。過去數十年來，Z-CRN模型占據主流，但是兩種模型的爭議并未解決。這主要是因為，非晶態材料的原子尺度表征，長期以來就是一個棘手的問題。有鑒于此，新加坡國立大學Barbaros ?zyilmaz教授團隊及其合作者，首次在原子尺度解析了單層無定形二維碳材料的結構，發現其更支持競爭模型。
研究人員通過激光輔助低溫CVD策略制備出厘米級自支撐的單層非晶態二維碳，發現其拓撲結構與石墨烯并不一樣。通過拉曼光譜、透射電鏡等精確表征，研究人員發現材料內部完全沒有長程周期性，并觀察到鍵長、鍵角尺寸不一，并伴隨大量五元環、六元環、七元環、八元環等等，環分布并不遵循Z-CRN規則，更傾向于競爭模型。通過理論計算，研究人員發現這種非晶態單層碳材料并不導電，電阻率接近CVD生長得到的BN納米材料。而且，這種材料極具穩定性，并未發生斷裂，將在磁性記錄器件和柔性電子設備等領域具有潛在應用。
Chee-TatToh et al. Synthesis and properties offree-standing monolayer amorphous carbon.Nature 2020, 577, 199–203.
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1871-2
6. Nature：把二維范德華異質結合成到底！
迄今為止，大多數范德華異質結材料都是通過機械剝離或者人工堆疊方法實現。這些方法適用于基礎研究過程中的概念驗證，但并不適用于對于實際應用體系的發展。和所有納米材料一樣，要想全面探索范德華異質結的潛力，首先就必須實現范德華異質結的規模化精確控制合成，這是該領域長期以來，也是今后很長一段時間都會面臨的關鍵挑戰之一。有鑒于此，湖南大學段曦東教授和加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授等人合作，報道了二維范德華異質結的普適性可控精確合成，并構建了高電流密度的晶體二極管，為實用化應用開辟道路。
作者首先在單層或雙層s-TMD（例如WSe2，WS2，MoS2）上進行圖案化，制造出具有周期性陣列的成核位點。在該陣列上，m-TMD可以選擇性成核并生長以形成周期性m-TMD / s-TMD范德華異質結。這種策略適用于各種不同材料，不限于特定化學組成或晶格結構。可用于處理s-TMD和m-TMD之間的二維vdWH陣列，不受晶格差異的影響。作為演示，研究人員利用原子精確的，接近理想的范德華界面制造出各種2D范德華異質結，包括VSe2/WSe2，NiTe2 / WSe2，CoTe2/WSe2，NbTe2 / WSe2，VS2 / WSe2，VSe2/MoS2和VSe2 / WS2。
Jia Li et al. Generalsynthesis of two-dimensionalvan der Waals heterostructure arrays. Nature 2020.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2098-y
7. Nature：WSe2/WS2莫爾超晶格的光學觀測
過渡金屬二硫化物莫爾條紋異質結構具有相當強的光-物質相互作用，以及較大的自旋-軌道耦合，為研究相關的量子現象提供了一種全新的模型系統。問題在于，用傳統手段難以在實驗上直接觀測到該系統中相關絕緣狀態。有鑒于此，加州大學伯克利分校FengWang團隊報道了一種光學觀測二維范德華異質結WSe2/WS2莫爾超晶格的新策略。
研究人員使用一種超級靈敏的光學檢測技術，在每個超晶格位的一個孔處發現一個Mott絕緣態，甚至能在每個超晶格的1/3填充和2/3填充處發現絕緣相，研究人員將這歸因于下層晶格形成的廣義Wigner結晶。在Mott絕緣態下觀測到微秒級超長自旋弛豫壽命，比電荷激發的壽命長幾個數量級。這項研究表明，除了石墨烯材料之外的莫爾超晶格，也可以非常有效地探索相關物理現象。
mma C. Regan etal. Mottand generalized Wigner crystal states in WSe2/WS2 moirésuperlattices. Nature, 2020.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2092-4
8. Nature：二維WSe2/WS2莫爾超晶格的哈伯模型的物理仿真
20世紀60年代，物理學家John Hubbard提出一種簡單的理論模型。哈伯模型可以在二維或三維物理上充當量子模擬器，以解決一些至關重要的非線性問題，揭示具有強相互作用的量子粒子的物理原理。有鑒于此，康奈爾大學KinFai Mak和Jie Shan等人報道了基于二維WSe2/WS2莫爾超晶格對哈伯模型的物理仿真，建立了一個基于莫爾超晶格的新型研究平臺。
研究人員以雙層WSe2/WS2莫爾超晶格為研究對象，通過測量其光學響應對平面外磁場和門調諧載流子密度的依賴性，來探測系統的電荷和磁性。在莫爾超晶格帶第一個孔的半填充處，觀察到具有反鐵磁Curie–Weiss現象的Mott絕緣狀態，與強相互作用狀態下的Hubbard模型相符合。在半填充以上，填充系數接近0.6時，可能存在從反鐵磁狀態到弱鐵磁狀態的量子相變。
Yanhao Tang etal. Simulationof Hubbard model physics in WSe2/WS2 moiré superlattices.Nature, 2020.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2085-3
9.Nature：二維材料讓超快速圖像識別傳感器成為可能！
無論是在自動駕駛，還是人臉識別等新興科技領域，超快速的視覺圖像傳感技術已經成為智能系統的關鍵組成部分。其問題在于，將光學圖像超快速轉換為電信號域仍然是本領域的瓶頸問題之一。通過模仿人眼結構的人工神經網絡技術，在增強圖像對比度，降噪或數據采集等方面具有巨大潛力，有望在該領域取得突破。有鑒于此，奧地利維也納科技大學Lukas Mennel和Thomas Mueller等人報道了基于二維材料實現超快速圖像識別的最新成果。香港理工大學Yang Chai教授應邀在Nature發文對此作出點評，并進行了展望。
研究人員證明了圖像傳感器本身可以構成一個人工神經網絡，同時感測和處理光學圖像而不會產生延遲。基于WSe2二維半導體作為光敏材料，構建了一個可重構的光電二極管陣列，表現出強的光-物質相互作用和出色的光電特性。實現了有監督的學習和無監督的學習，并訓練傳感器對以光學方式投射到芯片上的圖像進行分類和編碼，處理能力為每秒2000萬個bin。
1.Lukas Mennelet al. Ultrafast machine vision with 2D material neural networkimage sensors.Nature 2002.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2038-x
2. Yang Chai et al. In-sensor computing for machinevision. Nature 2002.
https://www.nature.com/articles/d41586-020-00592-6
10. Nature：生長晶圓級單層六方氮化硼單晶新策略
在集成電路中，超薄二維半導體材料為擴展摩爾定律提供了巨大的潛力。其中一個關鍵問題在于，如何避免相鄰的電介質之間形成電荷散射和陷阱位點。六方氮化硼（hBN）的絕緣范德華層，則提供了出色的界面電介質，有效地減少了電荷的散射。單晶六方氮化硼一般通過在熔融金表面或塊狀銅箔上生長。然而，熔融金的高成本，交叉污染以及過程控制和可擴展性的潛在問題，不受企業歡迎。銅箔可能適用于卷對卷工藝，但不太可能與晶圓上的先進微電子制造兼容。因此，如何可靠的在晶圓上直接生長單晶hBN，是半導體領域的關鍵技術之一。有鑒于此，Lain-Jong Li、Wen-Hao Chang以及Boris I.Yakobson等人報道了一種在Cu（111）單晶表面生長晶圓級單層六方氮化硼單晶的新策略，為二維材料在電子器件領域的應用奠定了基礎。
研究人員以兩英寸c面藍寶石晶片為襯底，在Cu（111）單晶薄膜通過外延生長，成功制備出單晶hBN單層。第一性原理計算表明，通過hBN側向對接Cu（111）步驟可增強外延生長，從而確保hBN單層的單向性。將單晶hBN作為MoS2和HfO2之間的界面層，有效提高了晶體管的電學性能。
Tse-AnChen etal. Wafer-scale single-crystal hexagonal boron nitride monolayers on Cu(111).Nature 2020.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2009-2
