2D材料已成为研究人员的宝库

诸平

Fig. 1 Physicist Dr Nihit Saigal is a postdoctoral researcher in the research group of Prof. Ursula Wurstbauer. Using a micro-structure manipulation tool, developed at the Institute of Physics, for the rotation-adapted stacking of 2D crystal layers,he places an ultrathin layer of molybdenum disulphide onto a silicon dioxide underlay. © University of Münster - Peter Leßmann

Fig. 2 Prof. Ursula Wurstbauer and her team are one of a number of working groups at the Faculty of Physics that are researching 2D materials. © University of Münster - Peter Leßmann

Fig. 3 Using sticking tape, the researchers remove thin layers of material from a molybdenum disulphide crystal. © University of Münster - Peter Leßmann

Fig. 4 Dr Nihit Saigal demonstrates how, from a sample of molybdenum disulphide flakes, he selects an ultrathin layer for further processing. © University of Münster - Peter Leßmann

Fig. 5 Using this high-precision piece of equipment, the researchers “stamp” layers of 2D materials over one another. © University of Münster - Peter Leßmann

据德国明斯特大学（University of Münster）2023年10月6日提供的消息，该校的物理学家研究具有非常特殊性质的二维材料。上述图1是明斯特大学乌苏拉·沃斯特鲍尔（Ursula Wurstbauer, Fig. 2）教授研究小组的博士后研究员、物理学家尼希特·赛加尔（Nihit Saigal）博士。他使用明斯特大学物理学院（The Institute of Physics at the University of Münster）开发的微结构操纵工具，将超薄的二硫化钼（MoS₂）层放置在二氧化硅底层上，以适应旋转的二维晶体层堆叠。

明斯特大学物理学院乌苏拉·沃斯特鲍尔教授团队的博士后尼希特·赛加尔博士已在实验室中做好了一切准备，准备生产一种超薄二维材料——MoS₂的银色晶体，粘弹性聚合物薄膜等及胶带。他小心地将晶体放在胶带上，以便留下一点材料粘在上面。然后，他将这些材料痕迹多次压到聚合物薄膜上。在此过程中，痕迹变得越来越细。他在显微镜下观察结果，寻找MoS₂极薄的位置——即尽可能精确，薄如单个分子层。

这些步骤代表了一个漫长过程的开始，其中二维层被高精度地放置在涂有二氧化硅的硅衬底上，稍后将在其中检查其性能。这种二维材料肯定是另外一种东西：极薄的层，一两个分子层厚，与三维的相同材料具有根本不同的特性。如果将由不同材料组成的层组合起来，或者将各个层相互扭转，就会产生更多新的特性——例如，可以用导电材料制造绝缘体。

乌苏拉·沃斯特鲍尔教授（图2）和她的团队是明斯特大学物理学院研究二维材料的众多工作组之一。二维材料最著名的例子是石墨烯（graphene）。2004年10月22日，《科学》（Science，DOI: 10.1126/science.1102896）杂志发表了一篇文章，首次展示了如何生产石墨烯（单原子厚度的碳层），即通过将一块胶带压在一块石墨上，然后将其剥离。石墨晶体由蜂窝状碳原子层组成，即由无数层石墨烯组成。在他们的文章中，研究人员还描述了这种新材料的特性，即使在今天，这些特性仍然令人惊讶：“它是世界上最薄的材料，比钢更硬，比铜导电力更强，”乌苏拉·沃斯特鲍尔对其属性的总结道。“此外，石墨烯是一种出色的热导体，并​​且具有柔韧性。”

从那时起，研究人员已经找到了数千种与石墨烯具有类似层状结构的材料——这是研究工作的真正宝库。由乌苏拉·沃斯特鲍尔领导的团队只是物理学院在该领域开展工作的一系列团队之一。除此之外，在研究一类特殊金属化合物（即所谓的过渡金属二硫化物）时，该团队正在研究层状二维材料中的一种特殊情况：扭曲。在这里，研究人员以小角度相互扭转两层或多层材料，从而在材料中产生不同的特性（无论角度如何），这是分子模式叠加的结果。图3是研究人员使用胶带从二硫化钼晶体上去除薄层材料。

乌苏拉·沃斯特鲍尔说：“扭曲是生产各种不同特性的关键。通过进行精确的扭曲，我们可以控制粒子（例如电子）是否可以在分子晶格内移动。通过这种方式，在极端情况下，相同的材料可以具有超导或绝缘特性。或者，通过一定的扭曲- 只有那时 - 材料才会发射单个光子。这对于量子技术中的可能应用很有意义。”图4是尼希特·赛加尔博士演示了如何从二硫化钼薄片样品中选择超薄层进行进一步加工。

休伯特·克伦纳（Hubert Krenner）教授工作组的博士后艾米琳·尼斯滕（Emeline Nysten）博士提供了正在进行的研究的另一个例子。她正在研究声波对两层二维材料电性能的影响。这背后的问题是：声表面波能否控制和编程电场？艾米琳·尼斯滕解释说：“这些效应可能有助于生产非易失性存储（non-volatile means of storage）手段，这种存储手段可以像计算机内存一样长期保存信息。一个优点是，与传统的磁性存储方式不同，这种铁电存储可以被进一步小型化，并且对电磁辐射更具弹性。”

虽然物理学院的工作组大多从事基础研究，但乌苏拉·沃斯特鲍尔团队也有应用研究的例子。与荷兰特温特大学（University of Twente）丽贝卡·赛夫（Rebecca Saive）教授的一个合作项目正在研究提高太阳能电池的效率。乌苏拉·沃斯特鲍尔说：“问题是我们如何才能将电荷载流子从太阳能电池转移到电网中而不发生任何损失。目前，这是一个瓶颈，而且损失程度很高。” 研究人员希望通过改进电气技术，将这些损失降至最低。图5是研究人员使用这种高精度设备，将二维材料层彼此“冲压”在一起。

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