來源：材料人網

 

天氣漸涼，2017年已過去大半。我們盤點匯總了上半年二維材料領域的重要綜述，以此總結該領域最新前沿科研成果。

 

1、Adv. Mater. 綜述：二維材料在鹵化物鈣鈦礦基光電器件中的應用

 

圖1 鈣鈦礦材料及不同二維材料的晶體結構

 

清華大學石高全教授（通訊作者）等人以“Two-Dimensional Materials for Halide Perovskite-Based Optoelectronic Devices”為題在Advanced Materials上發表綜述，廣泛總結了傳統二維材料在鹵化物鈣鈦礦基光電器件（光探測器、太陽能電池、發光二極管）中應用的最新進展。這些二維材料包括了石墨烯及其衍生物、單層或多層過渡金屬硫化物（TMDs）、石墨炔、金屬納米片等。此外，文中也對二維納米結構鈣鈦礦和二維Ruddlesden-Popper鈣鈦礦在高效和穩定光活性層中的應用作了概述。同時，文章對二維材料的制備、功能和工作機理等方面也作了介紹，最后探討了二維材料在鹵化物鈣鈦礦基光電器件中應用時所面臨的挑戰。

 

2、Adv. Mater. 綜述：除磷烯外的二維單元素砷烯、銻烯以及鉍烯

 

圖2 三方晶系的層狀砷、銻和鉍以及正交晶系的層狀砷結構

 

近些年來，二維單元素結構逐漸成為科研人員關注的熱點。這些結構包括單層黑磷以及最近的單層砷烯、銻烯和鉍烯等。南洋理工大學的Martin Pumera教授（通訊作者）等人在Advanced Materials上發表了一篇題為“2D Monoelemental Arsenene, Antimonene, and Bismuthene: Beyond Black Phosphorus”的綜述文章。這篇文章簡要概括綜述了砷烯等氮族二維材料近期出現的指數性增長研究。文章不僅介紹了相關領域的歷史工作，還探討了塊體砷、銻、鉍等的性質，以及單層或者多層二維材料的理論和實驗研究。

 

3、Chem. Rev. 綜述：超薄二維納米材料的最新進展

 

圖3 超薄二維納米材料

 

石墨烯和類石墨烯材料的研究進一步豐富了二維超薄材料的成員。目前關于二維材料的綜述只關注了專門一類的二維材料，如石墨烯或者特定類型的二維材料，但是還沒有對二維材料這一熱門領域進行系統完全的總結。新加坡南洋理工大學的張華教授（通訊作者）等人以“Recent Advances in Ultrathin Two-Dimensional Nanomaterials”為題在Chemical Reviews上發表綜述，詳細總結了二維材料的最新研究進展，對二維材料的組成和結構、合成方法、表征及其在不同領域的應用進行了闡述，文章最后對二維材料的發展和存在的問題進行了總結。

 

4、Chem. Soc. Rev. 綜述：非石墨烯二維納米片

 

圖4 銀基質上硅烯的顯微結構

 

二維材料有著原子尺度的厚度，幾乎所有的原子都被暴露在表面上，提供了極大且特殊的表面積，由于量子限域效應，其展現出了特殊的物理、化學和電子性能，這使得它們的表面相與大多數同類一樣重要。來自中國科學技術大學陳乾旺教授、淮北師范大學孔祥愷副教授、阿克倫大學彭振猛教授（共同通訊）等人在Chemical Society Reviews上發表了一篇名為“Elemental two-dimensional nanosheets beyond graphene”的綜述。在綜述中，主要總結和討論了除石墨烯外其他二維材料的最新進展，強調了它們的基本成分和應用，最后還展望了新一代的二維納米結構。

 

5、Adv. Mater. 綜述：二維材料中的原子缺陷：從單原子光譜到光/電子、納米磁性和催化中的功能性

 

圖5 石墨烯中邊緣原子的電子性質

 

二維材料研究興起的同時也伴隨著挑戰，比如大規模合成樣品中存在的缺陷工程。為了缺陷工程開發應用特定的策略，闡明結構缺陷對電子性能的影響是非常有必要的。近日來自浙江大學的張澤院士、金傳洪教授、袁俊教授（共同通訊）以“Atomic Defects in Two-Dimensional Materials: From Single-Atom Spectroscopy to Functionalities in Opto-/Electronics, Nanomagnetism, and Catalysis”為題在Advanced Materials上發表綜述，主要回顧了二維晶體中兩個方面的缺陷：一個是通過原子分辨電子顯微鏡探測石墨烯和六方氮化硼中出現的點缺陷，分析它們的局部電子性質。另一個將側重于TMD中的點缺陷及研究其對電子結構、光致發光和電傳輸性質的影響。

 

6、Adv. Mater. 綜述：石墨烯以及其他二維膠體：液晶和宏觀纖維

 

圖6 基于液晶的宏觀纖維合成策略

 

浙江大學的高超教授(通訊作者)課題組在材料頂級期刊Advanced Materials上發表了題為“Graphene and Other 2D Colloids: Liquid Crystals and Macroscopic Fibers”的文章，討論了二維膠體、液晶與宏觀纖維關聯領域的研究。作者首先追溯了二維膠體的歷史，探討了在液晶研究背景中二維納米材料纖維的概念，詳細闡述了制備的動機、原理和可能的策略。然后文章重點關注了石墨烯纖維的出現、發展和應用。此外，二維納米纖維的最新進展以及未來發展趨勢也被概括描述。

 

7、Chem. Soc. Rev. 綜述：二維材料束縛下的表面化學和催化

 

圖7 二維材料下的化學

 

二維材料的特點是面內結合力強而面間作用弱，而研究二維材料界面之間的化學過程是近來新興的科學領域。中國科學院大連化學物理研究所的包信和院士和傅強研究員（通訊作者）等人在綜述期刊Chemical Society Reviews上發表了一篇題目為“Surface chemistry and catalysis confined under two-dimensional materials”的文章。作者首先介紹了原子或者分子在超薄二維材料上的插入過程，說明了二維材料作為納米容器的概念。然后介紹了二維束縛空間中出現的催化反應、化學氣相沉積和電化學反應等過程，說明了二維材料作為納米反應器的概念。最后，文章總結提出了二維表面的限制效應促使了狹小空間中新型化學的產生。

 

8、Nat. Mater. 綜述：混合維度的范德華異質結構

 

圖8 典型的2D材料和混合維度范德華異質結構的示意圖

 

層狀材料中，范德華相互作用不僅僅局限在片層間相互作用。事實上，任何鈍化的或者懸垂鍵自由表面間相互作用均通過范德華力。這也就使得任何層狀2D材料能夠與許多不同維度的材料整合成為混合維度范德華異質結構，即2D+nD（n=0,1,3）的組合。這也催生了對更廣范圍范德華異質結構的更深入的研究。美國西北大學的Mark C. Hersam教授（通訊作者）等人對混合維度范德華異質結構的研究進行了整理，特別強調了其在固相器件中的應用。作者首先對混合維度異質結構進行了大體分類以及其所包含材料的種類。然后討論了電荷輸運的物理現象和混合維度界面的波段調整，同時突出強調了相關的化學過程和合成路徑。最后，作者討論了混合維度異質結構在固態器件中的應用，以及未來整合成主流技術的展望。該篇綜述在Nature Materials上以“Mixed-dimensional van der Waals heterostructures”為題發表。

 

9、Nat. Mater. 綜述：層狀二維材料中的激元

 

圖9 石墨烯等離子體

 

美國明尼蘇達大學的Tony Low（通訊作者）等人綜述了大量二維材料中的激元模式以及近期的實驗進展。作者還調查了這些激元模式的光學光譜性質以及應用。二維材料激元及其雜化這一新興研究領域的出現為實現操縱光-物質作用提供了不同且極具潛力的可能。相關的內容以“Polaritons in layered two-dimensional materials”為題發表在頂級期刊Nature Materials上。

 

10、Nat. Rev. Chem. 綜述：二維材料的合成及其元素化學

 

圖10 能合成二維材料的元素以及其對應的合成方法

 

美國西北大學的Mark C. Hersam和阿貢國家實驗室的Nathan P. Guisinger（共同通訊）等人詳細總結了二維材料的合成以及化學性質的表征方法，重點講解了基本二維材料的合成。基于石墨烯這種最典型的二維材料，講解了與石墨烯接近的第III主族硼的二維材料、第IV主族硅、鍺和錫的二維材料以及第V主族磷、鉍的二維材料的理論計算的結構、性能預測，隨后總結了每一種材料的合成以及表征方法和結果，針對這些二維材料的常溫不穩定問題，還提出了改善其常溫穩定性和化學性質的方法，最后對二維材料這個領域未來的發展做了展望。以上內容以“Synthesis and chemistry of elemental 2D materials”為題發表在2017年1月25日的Nature Reviews Chemistry上。

 

11、Nat. Rev. Mater. 綜述：2D過渡金屬硫化物

 

圖11 TMDCs的結構和電子特性

 

瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)的Andras Kis(通訊作者)等人應邀在Nature Reviews Materials上發表了題為“2D transition metal dichalcogenides”的綜述文章。文章主要對近年來2D-TMDCs在結構、電子能帶、性質、合成方法、半導體器件應用等方面取得的研究成果進行了系統性的回顧，指出2D-TMDCs研究仍然處于非常基礎的階段，有待科研工作者大量卓有成效的研究成果來推動其實際應用。

 

12、Nano Energy綜述：石墨烯之外無支撐原子級薄層二維材料與光催化：機遇與挑戰

 

圖12 原子級薄層二維材料

 

原子級薄層二維材料以其獨特的結構和優良的性能在多種光催化應用上均有潛在的前景。但是對結構與活性之間關系的理解依然是不充分和極具挑戰性的。因此，江蘇大學夏杰祥副教授 (通訊作者)和新加坡南洋理工大學的劉政教授(通訊作者)等人在Nano Energy上發表了題為“Freestanding atomically-thin two-dimensional materials beyond graphene meeting photocatalysis: Opportunities and challenges”的綜述文章。在這篇文章中，作者調研了原子級薄層二維材料的制備方法。通過研究近來發展的無支撐原子級薄層光催化劑，作者還重點思考了從光富集、電荷分離以及界面反應等三個主要因素出發的結構-活性關系。多種活性提高策略以及該種二維材料在光催化領域面臨的機遇與挑戰也被一一概述。

 

13、Adv. Energy Mater. 綜述：二維材料層間距調控與電化學儲能

 

圖13 二維材料儲能應用概述

 

二維材料可以通過化學氣相沉積法（CVD），氧化還原插層剝離法，水熱模板組裝法，超聲剝離法等方法制備。插層法制備二維材料不僅可以增大其片層間距，也改變了能帶填充狀態和費米能級，從而增強導電性、離子傳輸能力和催化活性。武漢大學付磊教授在Adv. Energy Mater.雜志上發表Opening Two-Dimensional Materials for Energy Conversion and Storage: A Concept的綜述文章，主要介紹了二維材料（石墨烯, 過渡金屬硫化物（TMDs）,過渡金屬碳化物（TMCs）, 黑磷（BP）, 石墨相氮化碳（g-C3N4）等在能量轉換與儲存器件領域的研究進展，包括太陽能電池，熱電器件，電催化材料，超級電容器和二次電池等。