自2010年石墨烯獲得諾貝爾物理學獎以來，科學家和產業界對石墨烯就開始狂熱的追逐。和體相石墨的不同之處在于：石墨烯僅有一個碳原子層厚度，并表現出超優異的力學、電學等性能。
在追逐石墨烯的同時，一大批石墨烯之外的二維材料也被相繼開發出來，從元素周期表來看，這些元素主要包括：過渡金屬、碳族元素、硫族元素以及其他。這些超薄的二維材料和石墨烯一樣，具有和體相材料截然不同的新性能。
圖1. 各種二維材料及其結構
Zhang H. Ultrathin two-dimensional nanomaterials. ACS Nano. 2015, 9, 9451-9469.
那么，什么是二維材料？
關于二維材料，目前并沒有絕對明確的定義，但是有三個方面，是得到科學家廣泛認同的：
1）結構有序；
2）在二維平面生長；
3）在第三維度超薄。
圖2. Ti3C2二維材料
那么問題就來了：
1）多薄才算超??？
按照石墨烯的定義，石墨烯是單原子層。而實際上單原子層在某些應用上的性能并不是最好的，有時候2-3層或者5層左右的多層石墨烯具有最佳性能。
因此，大多數科學家對二維材料的厚度并沒有嚴格規定，更重要的還是以和體相材料的性能區別來定義。
2）是否需要是獨立的材料？
目前發現的二維材料家族中，有一些是freestanding，還有一些僅僅停留在基底表面，這些也被稱作二維材料。但是，沒有從基底表面剝離下來的二維材料是難以進一步應用的，因此，如何將二維材料從基底表面剝離是一個重要的議題。
總之，二維材料并不是從數學上來定義，而是從物理和化學的角度來定義。也就是說，以性能定義。
圖3. 二維材料結構（從上至下：石墨烯，BN，MoS2，WSe2）
二維材料究竟有什么特色？
單層二維材料的表面原子幾乎完全裸露，相比于體相材料，原子利用率大大提高。通過厚度控制和元素摻雜，就可以更加容易地調控能帶結構和電學特性，譬如硅烯(silicene)和磷烯(phosphorene)。二維材料可以是導體、半導體，也可以是絕緣體；可以是化學惰性，也可以隨時進行表面化學修飾。概括起來，主要有以下3個優勢：
1）更利于化學修飾，可以調控催化和電學性能。
2）更利于電子傳遞，有利于電子器件性能的提升。
3）柔性和透明度高，在可穿戴智能器件、柔性儲能器件等領域前景誘人。
石墨烯之外的二維材料五大家族
Yury Gogotsi說：“一個50歲的科學家在實驗室玩新玩具和一個5歲小孩在家里玩新玩具的樂趣沒什么不一樣，二維材料就是我的新玩具！”
在石墨稀之外，貪玩的科學家發展了五大體系的二維材料，分別是：MXenes、Xenes、Organic materials、TMD（過渡金屬二硫族化物）以及Nitrides（氮化物）
圖4. 二維材料的五大家族
MXenes: 超薄碳化物或氮化物二維材料
六年前，來自Drexel university的Yury Gogotsi和 Michel W. Barsoum在尋找高性能鋰離子電池負極材料時，意外發現一種高導電性能的氮化物和碳化物，稱之為MAX（M表示過渡金屬、A表示主族元素，譬如Al或Si、X表示C或N）。
圖5. MXenes材料制備策略
Yury Gogotsi, Michel W. Barsoum et al. Two-Dimensional Transition Metal Carbides. ACS Nano 2012, 6, 1322?1331.
為了進一步提高鋰離子電池的性能，他們用HF將Ti3AlC2 和其他 MAX材料進行剝離，得到二維類石墨烯的超薄Ti3AlC2，以及Ti2C, Ta4C3, (Ti0.5Nb0.5)2C, (V0.5Cr0.5)3C2, Ti3CN等一系列材料，約30種之多。
MXenes家族由此誕生！
圖6. 現有MXenes材料匯總
Yury Gogotsi et al. 2D metal carbides and nitrides (MXenes) for energy storage. Nature Reviews Materials 2017, 2, 16098.
2014年，Drexel university的研究團隊利用MXenes材料發明了一種高效的可穿戴儲能技術；2016年，Yury Gogotsi又利用MXenes材料發明了一種保護手機免受電磁干擾的技術。
圖7. MXenes用于電磁屏蔽
Yury Gogotsi et al. Electromagnetic interference shielding with 2D transition metal carbides (MXenes). Science 2016, 353, 1137-1140.
Xenes:單原子層單質二維材料
科學家玩起來可是不遺余力的。繼石墨烯開發之后，世界各地的課題組展開對其他元素的剝離研究。和C鄰近的B, Si, P, Ge, Sn等元素的單原子層二維材料相繼被開發出來，這一系列材料被命名為Xenes。其中，X代表元素，ene是來源于graphene，表示烯。
2015年，美國和意大利的研究人員通過氧化鋁覆蓋，在Ag基底上制備得到了超薄的二維硅烯，并在場效應晶體管中表現出優異性能。
圖8. 硅烯制備
Alessandro Molle, Deji Akinwande et al. Silicene field-effect transistors operating at room temperature. Nat. Nanotechnol. 2015, 10, 227–231.
2016年，美國西北大學的Hersam等人發明了一種以黑磷為原材料，以重氮苯衍生物為鈍化和保護性溶劑的方法，成功提高磷烯穩定性。
圖9. 提高磷烯穩定性
Hersam et al. Covalent functionalization and passivation of exfoliated black phosphorus via aryl diazonium chemistry. Nature. Chem. 2016, 8, 597–602.
2015年，兩個課題組差不多同時利用氣相沉積方法在金屬表面制備得到了超薄的單原子層硼烯。由于薄膜剝離技術的限制，這種硼烯材料的諸多性能尚未可知。
圖10. 硼烯制備
Artem R. Oganov*, Mark C. Hersam*, Nathan P. Guisinger et al. Synthesis of borophenes: Anisotropic, two-dimensional boron polymorphs. Science 2015, 350, 1513-1516.
圖11. 硼烯制備
Guoan Tai et al. Synthesis of Atomically Thin Boron Films on Copper Foils. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 15473–15477.
Organic materials: 有機二維材料
這類二維材料主要以二維MOF或COF材料為主。通過超聲或離子交換等技術使層間作用力較弱的金屬有機多孔材料或共價有機框架結構分離瘦身，得到超薄二維片層結構有機材料。
圖12. 二維MOF構建OER電催化劑
Shenlong Zhao, Yun Wang, Shaoqin Liu, Huijun Zhao, Zhiyong Tang et al. Ultrathin metal–organic framework nanosheets for electrocatalytic oxygen evolution. Nature Energy 2016, 1, 16184.
TMDs：過渡金屬二硫族化物
以MoS2和WS2為代表的TMDs在電子器件應用領域發展飛速，可能首先作為關鍵電路元器件使用。目前最大的問題在于：薄膜的批量化制備技術不成熟！
2015年，康奈爾大學的Jiwoong Park等人發明了一種化學氣相沉積方法，同時適用于三原子層厚度的超薄MoS2和WS2的制備，最大面積可達65 cm2。
圖13. 大面積高質量MoS2和WS2的制備方法
Jiwoong Park et al. High-mobility three-atom-thick semiconducting films with wafer-scale homogeneity. Nature 2015, 520, 656–660
二維材料，任重道遠！
Mitch Jacoby. 2-D materials stack up. C&EN, 2017, 95, 36–40.
