NMS專輯：Graphene and 2D Alternative Materials—from preparation to potential applications
內容簡介
隨著石墨烯的發現，普遍認為獲得原子級薄的晶體片是可行的，這一結果打開了通向二維材料的全新材料家族的大門。以石墨烯為代表的二維材料獲得了快速的發展，它們顯示出新穎和令人興奮的特性，使得該領域很可能繼續成為材料科學和凝聚態物理領域的主要課題之一。在不到20年的時間里，研究人員對二維材料逐層組裝的基礎理解、材料制備、表征、加工和精確設計方面取得了巨大進步。石墨烯和許多其他相關的 2D 材料已成為一個非常高效的科學領域，具有很高的技術應用潛力，其中一些產品已經問市。本期專輯集合了包括諾獎得主Konstantin Novoselov教授、Andres Castellanos-Gomez教授和Guinea Francisco教授等幾位全球高被引學者的最新研究進展。
這一系列文章突出了二維材料領域的許多基本突破、最新發展和未來方向。預計二維材料看似不斷增加的新基本特性，以及本文報道的制造和表征技術的進步將引起越來越多的興趣，并為石墨烯和其他二維材料的理解和應用帶來新的機會。
1. 石墨烯和其他二維材料的最新進展
石墨烯是一種排列在一個六邊形晶格中的單層碳原子結構。石墨烯作為第一種二維材料，其制備為凝聚態物理和材料領域開辟了新機會。研究表明，制備原子級薄的穩定晶體薄片是有可能的, 它們也開始展現其優越的性能，從而打開了一扇全新的材料家族大門，即二維材料或2D材料。對不同2D材料的巨大興趣是由它們所表現出的各種特性所激發的，它們是眾多應用的候選者。此外，二維晶體的組合允許組裝隨需應變的復合材料，稱為范德華異質結構，即利用這些材料的屬性來創造其他無法實現的功能。例如，二維材料的組合可以實現高精度，這為基礎物理和新應用領域的研究開辟了機會。在這里，我們回顧了二維材料領域的最新發現，并對該領域的未來提出展望。
本文是2010年諾貝爾物理學獎獲得者Konstantin Novoselov教授繼2021年在Nano Materials Science合作發表“Graphene film for thermal management: A review”一文之后的又一新作。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589965121000209
引用格式：Pablo Ares, Kostya S. Novoselov, Nano Materials Science 1(2022) 3–9.
https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2021.05.002
2. 石墨烯和氮化硼基材料非晶相的新特性
本文綜述了近年來二維材料的合成和性能的研究進展，這些材料雖然主要具有sp2鍵合特性，但表現出高度無序、不均勻和結構隨機的形態。這類非晶態材料的出現，包括非晶態石墨烯和氮化硼，在用作界面膜時顯示出比晶體材料更好的性能。本文討論了它們的結構、振動和電子性質，并展望了它們在電子領域的應用前景。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589965121000143
引用格式：Aleandro Antidormi, Luigi Colombo, Stephan Roche, Nano Materials Science 1(2022) 10–17.
https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2021.03.003
3. 波紋對石墨烯力學性能的影響
石墨烯是迄今為止已知的最堅硬的材料，但由于其單原子厚度，它也很容易彎曲。因此，獨立的石墨烯呈現出波紋狀，這對其彈性性能有重大影響。在這里，我們將總結三個實驗，其中波紋的影響是解決結果的關鍵。首先，我們觀察到原子空位降低了獨立石墨烯的負熱膨脹系數(TEC)。我們還觀察到楊氏模量隨著整體施加應變和引入小密度缺陷而增加，我們將其歸因于波紋的減少。在這里，我們將注意到數據中觀察到的一個新奇的特征:實驗一致表明，只有波長在5到10 nm之間的波紋影響石墨烯的力學。負TEC和異常彈性的漣漪被認為是動態的，即彎曲的聲子。然而，具有這些波長的彎曲聲子應該對石墨烯的力學有較小的影響，因此必須考慮其他機制來解釋我們的觀察。我們認為靜態波紋是正確理解石墨烯熱力學的關鍵要素之一，并認為波紋是由于對稱破缺與非調和波動的競爭而自然產生的。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589965121000234
引用格式：Guillermo Lopez-Polin, Cristina Gomez-Navarro, Julio Gomez-Herrero, Nano Materials Science 4 (2022) 18–26.
https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2021.05.005
4. 扭曲雙層石墨烯中的靜電相互作用
使用HartreeFock近似描述了扭曲雙層石墨烯中長距離靜電相互作用的影響。結果表明，帶寬和形狀與電子填充有顯著的相關性，在許多密度下存在破碎的對稱相，無論是谷/自旋極化，晶格對稱破碎，或兩者兼有。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589965121000763
引用格式：Tommaso Cea, Pierre A. Pantaleon, Niels R. Walet, Francisco Guinea, Nano Materials Science 1(2022) 27–35.
https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2021.10.001
5. 基于α-CoⅡ層狀氫氧化物的二維多層磁性材料的室溫合成
二維材料是材料科學和納米技術中最活躍的研究領域之一。在二維材料家族中，層狀氫氧化物(LHs)由于其特殊的化學多樣性，可以隨意調節其物理化學性質，是一個特殊的研究案例。目前，基于地球資源豐富金屬材料的LHs是能量存儲和轉換、雜化材料或磁性材料等領域的關鍵材料。α-CoⅡ氫氧化物 (類氯水鋅礦結構)是一種有望通過配體修飾實現電子和磁性可調的相。然而，即使在簡單的α-CoⅡ羥基氯化物的情況下，制備定義明確的大型2D晶體也不是簡單的，這阻礙了基礎研究的發展。在此，我們提出了在室溫下通過簡單的均勻合成方法合成具有優異尺寸與厚度關系（直徑＞5 μm，厚度20±7 nm）的二維六方晶體。在結構方面，我們的層狀材料和水熱法得到的材料之間沒有觀察到差別。然而，動態磁化率測量體現了不同排列的磁子晶格，這已被結構DFT計算合理化。本工作為獲得基于α-CoⅡ氫氧化物的高質量2D晶體提供了一種極其簡單的自下而上的方法，為基礎研究和應用的發展鋪平了道路。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589965120300660
引用格式：Víctor Oestreicher, Christian Dolle, Diego Hunt, Michael Fickert, Gonzalo Abell, Nano Materials Science 1 (2022) 36–43. https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2020.12.004
6. 單層MoS2的雙軸與單軸應變調諧
應變工程已經成為一種強大的技術來調整二維半導體的電子和光學特性，如二硫化鉬(MoS2)。雖然一些理論工作預測雙軸應變比單軸應變更能有效地調諧MoS2的能帶結構，但文獻中仍缺乏直接的實驗驗證。在這里，我們設計了一個通過彎曲十字形聚合物基板施加雙軸應變的簡單實驗設置。我們利用該裝置研究了雙軸應變對12個單層MoS2薄片微分反射光譜的影響，發現在-40 meV/%和-110 meV/%的雙軸拉伸速率下，激子特征出現紅移。我們還直接比較了雙軸應變和單軸應變對同一單層MoS2的影響，發現雙軸應變片系數比單軸應變片系數大2.3倍。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S258996512100012X
引用格式：Felix Carrascoso, Riccardo Frisenda, Andres Castellanos-Gomez, Nano Materials Science 1 (2022) 44–51.
https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2021.03.001
7. 通過石墨烯、磷烯和石墨烯的范德華和橫向異質結構研究場效應器件的第一性原理
二維材料的化學修飾和垂直疊加是一種很有前途的新型納米電子器件技術。基于二維材料的橫向和縱向異質結構，本文提出了場效應器件的密度泛函緊束縛(DFTB)計算方法。該裝置由石墨烯片保護的磷烯通道組成，石墨烯片作為觸點，通過石墨烯局部加氫將其分為源端和漏端，從而產生絕緣石墨烯。在這種僅由3層組成的器件中，單層石墨烯-石墨烯既可以作為引線又可以作為氧化柵極，同時還可以作為磷光通道的保護層。我們展示了石墨烯/磷烯/石墨烯和石墨烯/磷烯/石墨烯的完美vdW異質結構的肖特基勢壘是如何受正常電場的影響的，并對這種器件的電子輸運特性進行了表征。最后，我們描述了磷光通道的摻雜和缺陷，這使得在輸送方向上密度很高時磷烯能帶內的傳輸成為可能。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589965120300672
引用格式：C. Rebolledo Espinoza, D.A. Ryndyk, A. Dianat, R. Gutierrez, G. Cuniberti, Nano Materials Science 1 (2022) 44–51.
https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2021.03.001
關于NanoMaterials Science
Nano Materials Science于2019年3月創刊出版，由重慶大學主辦，香港城市大學呂堅院士任主編，21個國家 117位學者（院士18位）任編委，ScienceDirect全文開放獲取，重點報道納米結構材料和納米功能材料的制備與加工、微觀結構和特性等材料基因表征、材料性能評價及應用，以及納米器件的設計、制備、加工、評價及應用等方面最新研究成果。
NMS已報道了包括諾貝爾物理學獎得主Konstantin Novoselov院士、呂堅院士、Ruslan Z Valiev院士、盧柯院士、成會明院士、申長雨院士，趙東元院士，段雪院士，侯保榮院士、孫軍院士、王琪院士、張立群院士、Oliver G. Schmidt院士、張強教授（清華大學）、郭少軍教授（北京大學）、張荻教授（上海交通大學）、劉剛教授（西安交通大學）、彭章泉教授（中科院大連物化所）、劉暢教授（中科院金屬所）、胡寧教授、付紹云教授、黃曉旭教授、魏子棟教授、張育新教授（重慶大學）、Vijay Kumar Thakur教授（英國蘇格蘭鄉村學院）、Li Lu教授（新加坡國立大學）、Luyi Sun教授（美國康涅迪格大學）等團隊成果，成果被89國家及地區、623種SCIE期刊引用報道，總下載46萬余次，CiteScore 14.1，2021年模擬影響因子為10.742，已入選EI、CSCD核心、Scopus、CAS、DOAJ、INSPEC數據庫，獲評為中國高質量科技期刊分級目錄—材料科學綜合類T2級、中國高校優秀科技期刊、重慶市高品種科技期刊、重慶市出版專項資助期刊、重慶名刊。
