二維材料制備技術(shù)的革新與突破：表面原位制備及方法優(yōu)化一、引言1.1研究背景與意義二維材料，作為一類電子僅能在兩個(gè)維度上自由運(yùn)動(dòng)的材料，自2004年石墨烯被首次成功剝離以來(lái)，便在科學(xué)界和工業(yè)界引起了廣泛關(guān)注。其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)賦予了它們諸多優(yōu)異的特性，如高載流子遷移率、出色的光學(xué)吸收與發(fā)射性能、良好的機(jī)械柔韌性以及卓越的化學(xué)穩(wěn)定性等。這些特性使得二維材料在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在電子學(xué)領(lǐng)域，二維材料有望推動(dòng)下一代高性能、低功耗電子器件的發(fā)展。以石墨烯為例，其具有高達(dá)15000平方厘米/伏秒的室溫電子遷移率，這一特性使其成為替代傳統(tǒng)硅基材料用于制造高速晶體管的有力候選者，有望為芯片制造帶來(lái)新的突破，推動(dòng)摩爾定律的延續(xù)。同時(shí)，二維材料的原子級(jí)厚度和良好的柔韌性，使其在柔性電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可用于制造可彎曲、可穿戴的電子設(shè)備，如柔性顯示屏、可穿戴傳感器等，為電子設(shè)備的小型化、便攜化和多功能化提供了新的可能。在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，二維材料也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。例如，石墨烯因其高比表面積和優(yōu)良的導(dǎo)電性，被廣泛應(yīng)用于鋰離子電池的導(dǎo)電添加劑及電極材料，能夠顯著提高電池的能量密度和充放電速率，為解決當(dāng)前能源存儲(chǔ)領(lǐng)域的瓶頸問(wèn)題提供了新的思路。此外，二維材料在太陽(yáng)能電池、超級(jí)電容器等領(lǐng)域的研究也取得了重要進(jìn)展，有望提高能源轉(zhuǎn)換效率，推動(dòng)可再生能源的發(fā)展和利用。在催化領(lǐng)域，二維材料的高比表面積和豐富的活性位點(diǎn)使其成為高效催化劑的理想選擇。例如，過(guò)渡金屬硫化物（如二硫化鉬）在電催化析氫反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，有望替代傳統(tǒng)的貴金屬催化劑，降低催化成本，促進(jìn)清潔能源的發(fā)展。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，二維材料的生物相容性和高比表面積使其在藥物輸送系統(tǒng)、生物傳感器、細(xì)胞成像和組織工程等方面具有潛在的應(yīng)用前景，為疾病的診斷和治療提供了新的技術(shù)手段。盡管二維材料展現(xiàn)出如此誘人的應(yīng)用前景，但其大規(guī)模應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，其中高質(zhì)量二維材料的制備是關(guān)鍵問(wèn)題之一。高質(zhì)量的二維材料應(yīng)具備原子級(jí)平整的表面、少缺陷、精確控制的層數(shù)和大面積均勻性等特點(diǎn)。然而，目前的制備方法在實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)時(shí)仍存在一定的局限性。例如，傳統(tǒng)的機(jī)械剝離法雖然能夠制備出高質(zhì)量的二維材料，但產(chǎn)率極低，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求；化學(xué)氣相沉積法雖然可以實(shí)現(xiàn)大面積制備，但制備過(guò)程中容易引入雜質(zhì)，且生長(zhǎng)過(guò)程難以精確控制，導(dǎo)致材料質(zhì)量參差不齊。表面原位制備作為一種新興的制備技術(shù)，為解決上述問(wèn)題提供了新的途徑。該方法是指在特定的基底表面，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)或物理過(guò)程直接生長(zhǎng)二維材料，使得二維材料與基底之間形成緊密的結(jié)合，避免了傳統(tǒng)制備方法中轉(zhuǎn)移過(guò)程可能引入的雜質(zhì)和損傷。同時(shí)，表面原位制備可以在原子尺度上精確控制二維材料的生長(zhǎng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料結(jié)構(gòu)和性能的精準(zhǔn)調(diào)控。例如，通過(guò)精確控制生長(zhǎng)條件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)二維材料層數(shù)、晶體取向和缺陷密度的有效控制，從而制備出高質(zhì)量的二維材料。此外，表面原位制備還可以與其他材料集成，構(gòu)建出具有多功能的復(fù)合材料體系，進(jìn)一步拓展二維材料的應(yīng)用范圍。對(duì)二維材料制備方法的改進(jìn)也是當(dāng)前研究的重要方向。通過(guò)改進(jìn)制備工藝參數(shù)、探索新型的制備技術(shù)和優(yōu)化制備流程，可以提高二維材料的質(zhì)量和制備效率，降低制備成本，為二維材料的大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。例如，在化學(xué)氣相沉積法中，通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)氣體的流量、溫度和壓力等參數(shù)，可以改善二維材料的生長(zhǎng)質(zhì)量和均勻性；探索新型的制備技術(shù)，如分子束外延、原子層沉積等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)二維材料更精確的控制和制備。本研究聚焦于二維材料的表面原位制備及制備方法的改進(jìn)，旨在深入探究表面原位制備過(guò)程中的生長(zhǎng)機(jī)理和調(diào)控機(jī)制，開(kāi)發(fā)新的制備技術(shù)和工藝，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量二維材料的可控制備。通過(guò)本研究，有望為二維材料的大規(guī)模應(yīng)用提供技術(shù)支持，推動(dòng)其在電子學(xué)、能源、催化和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，為解決當(dāng)前社會(huì)面臨的能源、環(huán)境和健康等問(wèn)題做出貢獻(xiàn)。同時(shí)，本研究也將豐富二維材料制備科學(xué)的理論體系，為二維材料的進(jìn)一步研究和發(fā)展提供理論指導(dǎo)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在二維材料制備領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外的科研人員均投入了大量的精力并取得了眾多成果。早期，國(guó)外在二維材料制備的基礎(chǔ)研究方面處于領(lǐng)先地位。例如，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈?蓋姆（AndreGeim）和康斯坦丁?諾沃肖洛夫（KonstantinNovoselov）于2004年通過(guò)機(jī)械剝離法成功制備出石墨烯，這一開(kāi)創(chuàng)性的工作開(kāi)啟了二維材料研究的新紀(jì)元，他們也因此榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，化學(xué)氣相沉積（CVD）法在國(guó)外得到了廣泛的研究和應(yīng)用。美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)利用CVD法在銅箔表面生長(zhǎng)出大面積的石墨烯薄膜，并對(duì)其生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)通過(guò)精確控制反應(yīng)氣體的流量、溫度和壓力等參數(shù)，可以有效調(diào)控石墨烯的生長(zhǎng)層數(shù)和質(zhì)量。在過(guò)渡金屬硫化物（TMDs）的制備方面，韓國(guó)的科研人員通過(guò)CVD法在藍(lán)寶石襯底上成功生長(zhǎng)出高質(zhì)量的單層二硫化鉬薄膜，實(shí)現(xiàn)了TMDs在光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的制備方法存在諸多局限性。機(jī)械剝離法雖然能夠制備出高質(zhì)量的二維材料，但產(chǎn)率極低，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求，其制備過(guò)程依賴于人工操作，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和規(guī)?；?。CVD法在制備過(guò)程中容易引入雜質(zhì)，生長(zhǎng)過(guò)程難以精確控制，導(dǎo)致材料質(zhì)量參差不齊，且設(shè)備昂貴，制備成本高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。為了克服傳統(tǒng)制備方法的局限性，國(guó)內(nèi)外的科研人員積極探索新的制備方法和技術(shù)。在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于分子束外延（MBE）的二維材料制備技術(shù)，通過(guò)精確控制原子的沉積速率和襯底溫度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維材料原子級(jí)別的精確控制，制備出了高質(zhì)量的二維材料異質(zhì)結(jié)。北京大學(xué)的科研人員則發(fā)展了一種溶液法制備二維材料的技術(shù)，通過(guò)將二維材料前驅(qū)體溶解在特定的溶劑中，利用溶液的自組裝特性，在溫和的條件下實(shí)現(xiàn)了二維材料的大面積制備，該方法具有成本低、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，為二維材料的大規(guī)模制備提供了新的途徑。在國(guó)外，芬蘭阿爾托大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種新的轉(zhuǎn)移二硫化鉬（MoS?）單原子層的方法，可精準(zhǔn)控制層間扭轉(zhuǎn)角，這些層的面積最大可達(dá)平方厘米，在尺寸方面打破了紀(jì)錄，為扭轉(zhuǎn)電子學(xué)的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。表面原位制備作為一種新興的制備技術(shù)，近年來(lái)受到了國(guó)內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)揭示了金屬在二維MXene材料表面原位還原生長(zhǎng)的規(guī)律，成功制備了多種結(jié)構(gòu)可控的金屬/MXene復(fù)合材料。他們基于二維MXene材料上金屬原位還原（自還原）策略，系統(tǒng)研究了金屬在MXene表面成核和生長(zhǎng)過(guò)程，總結(jié)出控制材料結(jié)構(gòu)的三條指導(dǎo)原則：氧化還原電位決定金屬能否還原；Mn?的配位環(huán)境決定金屬在MXene上的沉積位置；金屬與MXene的晶格匹配度決定沉積金屬的尺寸?；谶@些原則，他們成功合成了多種預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的M/Ti?C?Tx復(fù)合材料，為催化、傳感、生物技術(shù)等領(lǐng)域提供了可定制化的新材料選擇。在國(guó)外，華東理工大學(xué)的研究人員通過(guò)異腈的表面[1+1+1]環(huán)加成反應(yīng)，原位制備出一種二維三軸烯晶體，并發(fā)展了高化學(xué)選擇性和立體選擇性保持的逆-[2+1]環(huán)加成反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了從異腈向三軸烯到累積三烯二維晶體的定向轉(zhuǎn)化。他們通過(guò)掃描隧道顯微鏡和非接觸原子力顯微鏡直接觀察到了多種二維晶體轉(zhuǎn)變過(guò)程中的關(guān)鍵反應(yīng)中間體，并結(jié)合理論計(jì)算闡明了逆-[2+1]環(huán)加成反應(yīng)涉及三元碳環(huán)的開(kāi)環(huán)、次序性的脫氯/氫鈍化和脫異腈的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)三軸烯到累積三烯二維晶體轉(zhuǎn)化是一種逐步外延生長(zhǎng)機(jī)制。1.3研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)本研究圍繞二維材料的表面原位制備及制備方法改進(jìn)展開(kāi)，具體研究?jī)?nèi)容如下：首先，深入研究二維材料在不同基底表面的原位生長(zhǎng)機(jī)制。通過(guò)改變基底的材料種類、表面粗糙度、晶體取向等參數(shù)，探究其對(duì)二維材料成核、生長(zhǎng)速率和晶體質(zhì)量的影響規(guī)律。利用高分辨率電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡等先進(jìn)表征手段，實(shí)時(shí)觀察二維材料在生長(zhǎng)過(guò)程中的原子排列和結(jié)構(gòu)演變，揭示表面原位制備的微觀機(jī)制，為生長(zhǎng)過(guò)程的精確調(diào)控提供理論基礎(chǔ)。其次，開(kāi)發(fā)基于表面原位制備的新型二維材料制備技術(shù)。結(jié)合分子束外延、原子層沉積等高精度制備技術(shù)，探索在原子尺度上精確控制二維材料生長(zhǎng)的新方法。通過(guò)精確控制原子或分子的沉積速率、襯底溫度、反應(yīng)氣體流量等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)二維材料層數(shù)、晶體取向和缺陷密度的精準(zhǔn)調(diào)控，制備出高質(zhì)量、大面積的二維材料。然后，改進(jìn)傳統(tǒng)的二維材料制備方法，如化學(xué)氣相沉積法。通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)氣體的組成和比例、調(diào)整襯底的預(yù)處理工藝、改進(jìn)加熱方式和溫度分布等措施，提高二維材料的生長(zhǎng)質(zhì)量和均勻性。研究不同制備工藝參數(shù)對(duì)二維材料性能的影響，建立制備工藝與材料性能之間的定量關(guān)系，為制備高質(zhì)量二維材料提供工藝優(yōu)化方案。最后，探索二維材料在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換、催化、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。將表面原位制備和改進(jìn)方法制備的二維材料應(yīng)用于鋰離子電池電極材料、電催化析氫反應(yīng)催化劑、藥物輸送系統(tǒng)載體等，研究其在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)和作用機(jī)制。通過(guò)與傳統(tǒng)材料進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估二維材料在提高能源轉(zhuǎn)換效率、催化活性和生物相容性等方面的優(yōu)勢(shì)，為二維材料的實(shí)際應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在研究方法上，采用多案例分析的方式，對(duì)多種二維材料（如石墨烯、過(guò)渡金屬硫化物、氮化硼等）在不同基底表面的原位制備進(jìn)行深入研究，全面揭示表面原位制備的共性規(guī)律和特性，為二維材料的可控制備提供更廣泛的理論支持。對(duì)多種制備方法進(jìn)行對(duì)比研究，不僅包括表面原位制備技術(shù)與傳統(tǒng)制備方法的對(duì)比，還包括不同表面原位制備技術(shù)之間的對(duì)比。通過(guò)對(duì)比分析，明確各種制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，為根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的制備方法提供科學(xué)依據(jù)。在研究?jī)?nèi)容上，提出一種新的二維材料制備策略，即將表面原位制備與其他材料集成技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建具有多功能的復(fù)合材料體系。通過(guò)精確控制二維材料與其他材料之間的界面結(jié)構(gòu)和相互作用，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料性能的協(xié)同優(yōu)化，拓展二維材料的應(yīng)用領(lǐng)域。二、二維材料的概述與特性2.1二維材料的定義與分類二維材料，作為材料科學(xué)領(lǐng)域的新興明星，指的是電子僅可在兩個(gè)維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運(yùn)動(dòng)（平面運(yùn)動(dòng)）的材料。這種獨(dú)特的電子運(yùn)動(dòng)特性賦予了二維材料許多不同于傳統(tǒng)三維材料的優(yōu)異性能。從結(jié)構(gòu)上看，二維材料通常由單層或少數(shù)幾層原子組成，其原子排列方式在二維平面內(nèi)呈現(xiàn)出高度有序的狀態(tài)，而在垂直于平面的方向上，原子間的相互作用相對(duì)較弱，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得二維材料具有原子級(jí)平整的表面和極高的比表面積。與三維材料相比，二維材料的原子直接暴露在表面，增加了材料與外界環(huán)境的相互作用面積，為其在催化、傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了廣闊的空間。自2004年曼徹斯特大學(xué)Geim小組成功分離出單原子層的石墨材料——石墨烯以來(lái)，二維材料的研究便如雨后春筍般蓬勃發(fā)展。石墨烯的出現(xiàn)，不僅打破了人們對(duì)材料維度的傳統(tǒng)認(rèn)知，還引發(fā)了科學(xué)界對(duì)二維材料的廣泛關(guān)注和深入研究。此后，眾多不同類型的二維材料陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)和制備，根據(jù)其組成元素和結(jié)構(gòu)的差異，二維材料可大致分為以下幾類：碳基二維材料以石墨烯為典型代表，它是由單層碳原子以六邊形蜂窩狀晶格緊密排列而成的二維晶體。這種獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯許多卓越的性能。在電學(xué)方面，石墨烯具有超高的載流子遷移率，室溫下其電子遷移率可高達(dá)15000平方厘米/伏秒，這一特性使得石墨烯在高速電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，有望用于制造高性能的晶體管和集成電路，提高電子器件的運(yùn)行速度和降低能耗。在力學(xué)性能上，石墨烯表現(xiàn)出驚人的強(qiáng)度，其理論強(qiáng)度高達(dá)130GPa，是鋼鐵的數(shù)百倍，這使得它在高強(qiáng)度材料和柔性電子器件中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，可用于制造柔性顯示屏、可穿戴設(shè)備等。此外，石墨烯還具有出色的熱導(dǎo)率和光學(xué)性能，其熱導(dǎo)率高達(dá)5300W/m?K，在熱管理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景；同時(shí)，石墨烯對(duì)光的吸收表現(xiàn)出獨(dú)特的特性，可吸收約2.3%的可見(jiàn)光，這為其在光電器件中的應(yīng)用提供了可能。過(guò)渡金屬硫?qū)倩衔铮═MDs）是另一類重要的二維材料，其中二硫化鉬（MoS?）是研究最為廣泛的代表之一。二硫化鉬的晶體結(jié)構(gòu)由一層鉬原子夾在兩層硫原子之間構(gòu)成，通過(guò)范德華力相互作用形成層狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)賦予了二硫化鉬豐富的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。與石墨烯不同，二硫化鉬具有本征帶隙，其單層二硫化鉬的帶隙約為1.8eV，這使得它在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可用于制造高性能的場(chǎng)效應(yīng)晶體管、光電探測(cè)器和發(fā)光二極管等光電器件。在催化領(lǐng)域，二硫化鉬也展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，特別是在電催化析氫反應(yīng)中，其邊緣位點(diǎn)具有較高的催化活性，有望替代傳統(tǒng)的貴金屬催化劑，降低催化成本，推動(dòng)清潔能源的發(fā)展。硼氮化物中的六方氮化硼（h-BN）是一種具有類似石墨烯結(jié)構(gòu)的二維材料，它由硼原子和氮原子交替排列組成六邊形蜂窩狀晶格。六方氮化硼具有許多獨(dú)特的性能，在電學(xué)上，它是一種寬帶隙半導(dǎo)體，帶隙約為6.0eV，這使得它在高溫、高頻電子器件以及絕緣材料方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在熱學(xué)性能方面，六方氮化硼具有較高的熱導(dǎo)率，可達(dá)到數(shù)百W/m?K，是一種優(yōu)秀的熱管理材料。此外，六方氮化硼還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能，在高溫、惡劣環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的性能，可用于制造高溫結(jié)構(gòu)材料和耐磨涂層。除了上述幾類常見(jiàn)的二維材料外，還有一些基于硅、鍺等其他元素的二維材料，它們?cè)谔囟ǖ膽?yīng)用領(lǐng)域也展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，硅烯作為一種由硅原子組成的二維材料，具有與石墨烯類似的結(jié)構(gòu)，但由于硅原子的特性，硅烯具有一定的本征帶隙，這使得它在半導(dǎo)體器件應(yīng)用中具有潛在的價(jià)值，有望用于制造高性能的集成電路和傳感器。鍺烯則是由鍺原子構(gòu)成的二維材料，它具有較高的載流子遷移率和光學(xué)吸收系數(shù)，在光電器件和高速電子器件領(lǐng)域具有一定的研究?jī)r(jià)值。2.2獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)2.2.1電學(xué)性能二維材料的電學(xué)性能具有諸多獨(dú)特之處，為其在電子器件領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。以石墨烯為例，其具備高達(dá)15000平方厘米/伏秒的室溫電子遷移率，這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)硅基材料。如此高的電子遷移率使得石墨烯中的電子能夠快速移動(dòng)，大大降低了電子傳輸過(guò)程中的能量損耗，從而為實(shí)現(xiàn)高速、低功耗的電子器件提供了可能。在晶體管的應(yīng)用中，高電子遷移率可以使晶體管的開(kāi)關(guān)速度更快，進(jìn)而提高集成電路的運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)更高的計(jì)算性能。從能帶結(jié)構(gòu)來(lái)看，不同的二維材料展現(xiàn)出各異的特性。石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出零帶隙的線性色散關(guān)系，這使得它在電子學(xué)領(lǐng)域既具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，又具有獨(dú)特的電學(xué)特性，如雙極性電場(chǎng)效應(yīng)等。然而，零帶隙的特性也限制了石墨烯在某些半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用，因?yàn)樵跀?shù)字電路中，需要材料具有一定的帶隙來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的開(kāi)關(guān)控制。為了解決這一問(wèn)題，科研人員通過(guò)各種方法對(duì)石墨烯進(jìn)行改性，如引入缺陷、與襯底相互作用或與其他材料復(fù)合等，以在石墨烯中誘導(dǎo)出一定的帶隙。與石墨烯不同，過(guò)渡金屬硫?qū)倩衔铮═MDs），如二硫化鉬（MoS?），具有本征帶隙。單層二硫化鉬的帶隙約為1.8eV，這種帶隙特性使得二硫化鉬在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它可以用于制造高性能的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，通過(guò)柵極電壓的調(diào)控，可以有效地控制溝道中的電流，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的處理和放大。此外，二硫化鉬的帶隙還可以通過(guò)層數(shù)的變化進(jìn)行調(diào)控，隨著層數(shù)的增加，帶隙逐漸減小，這為其在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的性能優(yōu)化提供了更多的可能性。黑磷作為一種新型的二維材料，也具有獨(dú)特的電學(xué)性能。它具有直接帶隙，且?guī)吨翟?.3-2.0eV之間，這一范圍使得黑磷在光電器件和高速電子器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。與硅基材料相比，黑磷的載流子遷移率較高，同時(shí)具有較好的穩(wěn)定性和可加工性，這使得它在未來(lái)的集成電路和傳感器等領(lǐng)域有望發(fā)揮重要作用。在制備二維材料基電子器件時(shí)，材料的電學(xué)性能與器件的性能密切相關(guān)。例如，在制備石墨烯基晶體管時(shí)，石墨烯的高電子遷移率可以提高晶體管的開(kāi)關(guān)速度和電流驅(qū)動(dòng)能力，但由于其零帶隙的特性，需要采取有效的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的開(kāi)關(guān)控制，如采用雙柵結(jié)構(gòu)或與其他材料復(fù)合等。對(duì)于二硫化鉬基晶體管，其本征帶隙使得開(kāi)關(guān)控制更加容易實(shí)現(xiàn)，但需要進(jìn)一步提高其電子遷移率和穩(wěn)定性，以滿足高性能器件的需求。2.2.2光學(xué)性能二維材料在光學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特而卓越的性能，這些性能為其在光電器件中的廣泛應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從光吸收特性來(lái)看，二維材料具有很強(qiáng)的光-物質(zhì)相互作用，能夠在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的光吸收。以石墨烯為例，盡管其原子層薄，但卻可以吸收約2.3%的可見(jiàn)光。這種獨(dú)特的光吸收能力源于石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，其零帶隙的線性色散關(guān)系使得電子能夠與光子發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)光的吸收和發(fā)射。在光電探測(cè)器的應(yīng)用中，石墨烯的高光吸收能力使其能夠快速有效地將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，提高探測(cè)器的響應(yīng)速度和靈敏度。過(guò)渡金屬硫化物（TMDs），如二硫化鉬（MoS?），在光吸收方面也表現(xiàn)出顯著的特性。單層二硫化鉬由于其原子結(jié)構(gòu)和電子態(tài)的特殊性，在可見(jiàn)光和近紅外光區(qū)域具有較強(qiáng)的光吸收能力。這種光吸收能力與二硫化鉬的帶隙密切相關(guān)，其本征帶隙約為1.8eV，使得它能夠吸收對(duì)應(yīng)能量的光子，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。在光電器件中，這種特性使得二硫化鉬可用于制造高性能的光電探測(cè)器和發(fā)光二極管。在光電探測(cè)器中，光吸收產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在外加電場(chǎng)的作用下分離并形成光電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的探測(cè)；在發(fā)光二極管中，通過(guò)注入載流子，電子與空穴復(fù)合并發(fā)射出光子，實(shí)現(xiàn)電-光轉(zhuǎn)換。二維材料的光發(fā)射性能也備受關(guān)注。一些二維材料，如過(guò)渡金屬硫?qū)倩衔?，在受到激發(fā)時(shí)能夠發(fā)射出特定波長(zhǎng)的光。以二硫化鎢（WS?）為例，其單層結(jié)構(gòu)在光激發(fā)下可以發(fā)射出強(qiáng)烈的熒光，這是由于光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在復(fù)合過(guò)程中釋放出能量，以光子的形式發(fā)射出來(lái)。這種光發(fā)射特性使得二維材料在發(fā)光二極管、激光器等光電器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在發(fā)光二極管的制備中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)二維材料的結(jié)構(gòu)和界面，優(yōu)化載流子的注入和復(fù)合效率，可以提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率和亮度。二維材料的光學(xué)性能還具有可調(diào)控性。通過(guò)改變材料的層數(shù)、摻雜、與襯底的相互作用以及與其他材料的復(fù)合等方式，可以有效地調(diào)控其光學(xué)性能。例如，通過(guò)對(duì)石墨烯進(jìn)行化學(xué)摻雜，可以改變其電子結(jié)構(gòu)，從而調(diào)控其光吸收和發(fā)射特性；通過(guò)將二硫化鉬與石墨烯復(fù)合，可以形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用兩種材料之間的協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步優(yōu)化光電器件的性能，如提高光電探測(cè)器的響應(yīng)速度和靈敏度，增強(qiáng)發(fā)光二極管的發(fā)光效率等。2.2.3力學(xué)性能盡管二維材料的原子層極薄，但它們卻展現(xiàn)出令人矚目的力學(xué)性能，這一特性為其在柔性電子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。以石墨烯為例，其具有出色的力學(xué)強(qiáng)度和柔韌性。理論計(jì)算表明，石墨烯的強(qiáng)度高達(dá)130GPa，這一數(shù)值是鋼鐵強(qiáng)度的數(shù)百倍。如此高的強(qiáng)度源于石墨烯中碳原子之間強(qiáng)大的共價(jià)鍵作用，這些共價(jià)鍵在二維平面內(nèi)形成了穩(wěn)定的六邊形晶格結(jié)構(gòu)，使得石墨烯能夠承受較大的外力而不發(fā)生破裂。在柔性電子器件中，石墨烯的高強(qiáng)度特性使得器件在彎曲、拉伸等變形過(guò)程中仍能保持結(jié)構(gòu)的完整性和電學(xué)性能的穩(wěn)定性。例如，在可穿戴設(shè)備中，石墨烯可以作為導(dǎo)電電極或傳感器材料，即使在人體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致設(shè)備頻繁彎曲的情況下，石墨烯仍能正常工作，確保設(shè)備的可靠性和耐久性。從微觀角度來(lái)看，二維材料的力學(xué)性能與其原子結(jié)構(gòu)和層間相互作用密切相關(guān)。對(duì)于層狀結(jié)構(gòu)的二維材料，如過(guò)渡金屬硫化物（TMDs），層與層之間通過(guò)范德華力相互作用。雖然范德華力相對(duì)較弱，但在一定程度上也對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。當(dāng)受到外力作用時(shí)，層間可能發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)或錯(cuò)位，從而影響材料的整體力學(xué)性能。然而，通過(guò)一些方法，如化學(xué)修飾、與其他材料復(fù)合等，可以增強(qiáng)層間的相互作用，提高材料的力學(xué)性能。例如，在二硫化鉬中引入某些官能團(tuán)或與聚合物復(fù)合，可以增加層間的摩擦力和結(jié)合力，從而提高二硫化鉬的力學(xué)穩(wěn)定性。二維材料的柔韌性也是其在柔性電子器件中應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。由于原子層薄，二維材料具有良好的柔韌性，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的曲面和變形。在柔性顯示屏的制造中，二維材料可以作為透明導(dǎo)電電極或發(fā)光材料，其柔韌性使得顯示屏能夠?qū)崿F(xiàn)彎曲、折疊等功能，為用戶帶來(lái)全新的使用體驗(yàn)。同時(shí)，二維材料的柔韌性還使得它們可以與生物組織良好地貼合，在生物醫(yī)學(xué)傳感器等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，如可用于制造貼合皮膚的生物電傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體生理信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。三、二維材料的傳統(tǒng)制備方法剖析3.1化學(xué)氣相沉積法（CVD）化學(xué)氣相沉積（CVD）法作為一種常用的二維材料制備技術(shù)，在材料科學(xué)領(lǐng)域具有重要地位。其基本原理是利用氣態(tài)的初始化合物在高溫或等離子體等條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在加熱的固態(tài)基體表面生成固態(tài)物質(zhì)并沉積下來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)二維材料的生長(zhǎng)。在石墨烯的制備中，通常以甲烷（CH?）等碳?xì)浠衔镒鳛樘荚矗瑲錃猓℉?）作為載氣，在金屬襯底（如銅、鎳等）上進(jìn)行催化分解反應(yīng)。反應(yīng)過(guò)程中，甲烷在高溫下分解，碳原子在金屬襯底表面吸附、擴(kuò)散并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，逐漸形成石墨烯薄膜。以在銅箔表面生長(zhǎng)石墨烯為例，其具體過(guò)程如下：首先，將銅箔放入高溫反應(yīng)爐中，通入氫氣和氬氣對(duì)其進(jìn)行保護(hù)并加熱至約1000℃，使銅箔表面達(dá)到清潔且具有活性的狀態(tài)。接著，停止通入保護(hù)氣體，改通入甲烷氣體，甲烷在高溫的銅箔表面發(fā)生分解，碳-氫鍵斷裂，產(chǎn)生各種碳碎片（CH?）。這些碳碎片在銅表面相互聚集，通過(guò)脫氫反應(yīng)形成新的碳-碳鍵，進(jìn)而生成石墨烯晶核。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，碳原子或團(tuán)簇不斷附著到晶核上，使得石墨烯晶核逐漸長(zhǎng)大，當(dāng)各個(gè)晶核相互連接并“縫合”后，最終形成連續(xù)的石墨烯薄膜。反應(yīng)完成后，切斷電源，關(guān)閉甲烷氣體，再通入保護(hù)氣體排凈剩余的甲烷氣體，在保護(hù)氣體的環(huán)境下使反應(yīng)爐冷卻至室溫，即可得到生長(zhǎng)在銅箔上的石墨烯。CVD法在二維材料制備領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。除了石墨烯，在過(guò)渡金屬硫化物（TMDs）如硫化鉬（MoS?）的制備中，CVD法也發(fā)揮著重要作用。以生長(zhǎng)硫化鉬為例，通常以鉬源（如三氧化鉬MoO?）和硫源（如硫化氫H?S）作為前驅(qū)體，在高溫和載氣的作用下，鉬源和硫源在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硫化鉬并沉積在襯底上。通過(guò)精確控制反應(yīng)溫度、氣體流量和反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硫化鉬層數(shù)、晶體質(zhì)量和生長(zhǎng)均勻性的有效調(diào)控。在制備過(guò)程中，不同的襯底材料對(duì)硫化鉬的生長(zhǎng)機(jī)制和性能有著顯著影響。例如，在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)硫化鉬時(shí)，由于藍(lán)寶石與硫化鉬之間的晶格匹配度等因素，硫化鉬的生長(zhǎng)模式和晶體取向會(huì)呈現(xiàn)出特定的規(guī)律，這對(duì)于制備高質(zhì)量的硫化鉬薄膜以及后續(xù)在光電器件中的應(yīng)用具有重要意義。盡管CVD法在二維材料制備方面取得了一定的成果，但也存在一些局限性。在合成復(fù)雜的二維材料體系時(shí)，由于不同元素的反應(yīng)活性和擴(kuò)散速率存在差異，容易導(dǎo)致元素分布不均勻，從而出現(xiàn)相分離現(xiàn)象。在制備多元二維材料時(shí)，某些元素可能在生長(zhǎng)過(guò)程中優(yōu)先沉積或擴(kuò)散速度過(guò)快，使得最終材料的成分和結(jié)構(gòu)難以精確控制，影響材料的性能和應(yīng)用效果。在CVD法制備過(guò)程中，往往需要高溫條件，這不僅增加了能源消耗和制備成本，還可能對(duì)襯底材料和已生長(zhǎng)的二維材料造成熱損傷，限制了其在一些對(duì)溫度敏感的襯底或應(yīng)用場(chǎng)景中的應(yīng)用。此外，CVD法制備的二維材料在生長(zhǎng)過(guò)程中可能會(huì)引入雜質(zhì)，如殘留的碳?xì)浠衔?、金屬襯底中的雜質(zhì)擴(kuò)散等，這些雜質(zhì)會(huì)影響二維材料的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能，降低材料的質(zhì)量和可靠性。3.2機(jī)械剝離法機(jī)械剝離法是一種較為傳統(tǒng)且基礎(chǔ)的二維材料制備方法，其操作過(guò)程相對(duì)直觀。該方法主要是通過(guò)施加機(jī)械力，直接從層狀材料的表面剝離出二維材料。以制備石墨烯為例，科研人員通常會(huì)選取高定向熱解石墨作為起始原料，這是因?yàn)楦叨ㄏ驘峤馐哂懈叨扔行虻膶訝罱Y(jié)構(gòu)，層與層之間通過(guò)較弱的范德華力相互作用，為機(jī)械剝離提供了有利條件。在具體操作時(shí)，首先將石墨固定在襯底上，這一步需要確保石墨與襯底緊密貼合，以保證后續(xù)剝離過(guò)程的穩(wěn)定性。隨后，利用透明膠帶等工具對(duì)石墨進(jìn)行反復(fù)粘撕。在粘撕過(guò)程中，膠帶與石墨表面的原子層之間產(chǎn)生相互作用，通過(guò)這種機(jī)械力克服石墨層間的范德華力，使得部分原子層從石墨表面被剝離下來(lái)。這些被剝離的原子層中，就有可能包含單層或少數(shù)幾層的石墨烯。之后，需要對(duì)樣品進(jìn)行進(jìn)一步處理，通常會(huì)用丙酮等有機(jī)溶劑清洗樣品，以去除光刻膠等雜質(zhì)。清洗完成后，再將樣品轉(zhuǎn)移到硅片等合適的基底上，以便進(jìn)行后續(xù)的表征和應(yīng)用研究。為了獲得更純凈的單層石墨烯，還可以采用超聲處理等方法去除較厚的石墨片層。這種方法在早期二維材料的研究中發(fā)揮了重要作用。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈?蓋姆（AndreGeim）和康斯坦丁?諾沃肖洛夫（KonstantinNovoselov）正是利用機(jī)械剝離法首次成功制備出石墨烯，這一開(kāi)創(chuàng)性的工作開(kāi)啟了二維材料研究的新紀(jì)元，并使他們榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在當(dāng)時(shí)，機(jī)械剝離法為科研人員提供了一種直接獲取高質(zhì)量二維材料的途徑，使得科學(xué)家們能夠?qū)ΧS材料的基本性質(zhì)進(jìn)行深入研究。通過(guò)機(jī)械剝離法制備的石墨烯，其結(jié)構(gòu)完整性和質(zhì)量較高，能夠展現(xiàn)出石墨烯本征的優(yōu)異性能，如高達(dá)15000平方厘米/伏秒的室溫電子遷移率、出色的力學(xué)強(qiáng)度和獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)等，這些性能的研究為后續(xù)二維材料的應(yīng)用探索奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而，機(jī)械剝離法存在諸多局限性。從產(chǎn)量方面來(lái)看，該方法的制備過(guò)程依賴于人工操作，且每次剝離能夠得到的二維材料數(shù)量極少，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。在原子層厚度的二維材料制備中，需要精確控制剝離的力度和次數(shù)，這對(duì)操作人員的技能和經(jīng)驗(yàn)要求極高，且操作過(guò)程耗時(shí)費(fèi)力，導(dǎo)致生產(chǎn)效率極低。在制備過(guò)程中，由于難以精確控制剝離的位置和層數(shù)，使得制備出的二維材料尺寸有限。這在實(shí)際應(yīng)用中，特別是對(duì)于需要大面積二維材料的場(chǎng)景，如大面積柔性顯示屏、高效太陽(yáng)能電池等，機(jī)械剝離法制備的材料難以滿足需求。機(jī)械剝離過(guò)程中，由于機(jī)械力的作用，容易在二維材料中引入缺陷。這些缺陷會(huì)破壞二維材料的原子結(jié)構(gòu)，影響其電學(xué)、力學(xué)和光學(xué)等性能。在石墨烯的制備中，缺陷可能會(huì)導(dǎo)致電子散射增加，從而降低石墨烯的載流子遷移率，影響其在高速電子器件中的應(yīng)用性能。3.3液相剝離法液相剝離法是一種基于溶液體系的二維材料制備技術(shù)，其原理是利用化學(xué)溶劑與層狀材料之間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)二維材料的剝離。當(dāng)化學(xué)溶劑的表面能與二維材料相匹配時(shí)，溶劑與二維材料之間的相互作用可以平衡剝離該材料所需的能量。在這種情況下，通過(guò)超聲等手段施加外力，就能夠克服層狀材料層間的范德華力，使得塊體材料逐漸剝離成片層材料。以石墨烯的制備為例，在液相剝離過(guò)程中，首先將石墨粉末分散在特定的有機(jī)溶劑中，如N-甲基吡咯烷酮（NMP）。NMP的表面能與石墨烯較為匹配，能夠與石墨烯層間產(chǎn)生較強(qiáng)的相互作用。然后，對(duì)混合溶液進(jìn)行超聲處理。超聲產(chǎn)生的高頻振動(dòng)在溶液中形成微小的氣泡，這些氣泡在瞬間破裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部的高溫、高壓以及強(qiáng)烈的沖擊力。這種沖擊力作用于石墨顆粒，使石墨層間的范德華力被逐漸破壞，從而實(shí)現(xiàn)石墨烯從石墨層間的剝離。在超聲過(guò)程中，石墨烯片層不斷從石墨塊體上剝離下來(lái)，分散在溶液中，形成石墨烯的懸浮液。在過(guò)渡金屬硫化物（TMDs）如二硫化鉬（MoS?）的制備中，液相剝離法也發(fā)揮著重要作用。首先將二硫化鉬粉末分散在合適的溶劑中，如十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）水溶液。SDBS分子具有兩親性結(jié)構(gòu)，其親水基團(tuán)與水分子相互作用，疏水基團(tuán)則與二硫化鉬表面相互作用。通過(guò)超聲處理，SDBS分子在二硫化鉬層間擴(kuò)散，削弱了層間的范德華力，使得二硫化鉬片層能夠從塊體材料上剝離下來(lái)。剝離后的二硫化鉬片層分散在溶液中，形成穩(wěn)定的懸浮液。通過(guò)離心、過(guò)濾等后續(xù)處理，可以將不同層數(shù)的二硫化鉬片層分離出來(lái)，得到所需的二維材料。液相剝離法在二維材料制備領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢(shì)。該方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的設(shè)備和苛刻的實(shí)驗(yàn)條件，在普通實(shí)驗(yàn)室中即可實(shí)現(xiàn)。它能夠在溫和的條件下進(jìn)行，避免了高溫、高真空等極端條件對(duì)材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。與其他制備方法相比，液相剝離法的成本較低，適合大規(guī)模制備二維材料。然而，液相剝離法也存在一些局限性。該方法制備的二維材料尺寸通常較小，難以獲得大面積的二維材料。這是因?yàn)樵趧冸x過(guò)程中，超聲等外力作用會(huì)導(dǎo)致二維材料片層的破碎，限制了其尺寸的增大。由于使用了有機(jī)溶劑或表面活性劑，在制備過(guò)程中可能會(huì)引入雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)影響二維材料的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能。在后續(xù)處理過(guò)程中，去除這些雜質(zhì)也較為困難，增加了制備工藝的復(fù)雜性。此外，液相剝離法制備的二維材料層數(shù)分布較寬，難以精確控制二維材料的層數(shù)，這在一些對(duì)層數(shù)要求嚴(yán)格的應(yīng)用中會(huì)受到限制。四、二維材料的表面原位制備技術(shù)探究4.1表面原位制備的原理與優(yōu)勢(shì)表面原位制備技術(shù)作為二維材料制備領(lǐng)域的新興方法，近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注。其基本原理是在特定的基底表面，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)或物理過(guò)程，使二維材料直接在基底上生長(zhǎng)，從而避免了傳統(tǒng)制備方法中轉(zhuǎn)移過(guò)程可能引入的雜質(zhì)和損傷。在石墨烯的表面原位制備中，通常以氣態(tài)的碳源（如甲烷）為原料，在高溫和催化劑的作用下，碳源分解產(chǎn)生的碳原子在基底表面吸附、擴(kuò)散并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，逐漸形成石墨烯層。在過(guò)渡金屬硫化物（TMDs）如二硫化鉬（MoS?）的表面原位制備中，一般以鉬源（如三氧化鉬）和硫源（如硫化氫）為前驅(qū)體，在高溫和載氣的環(huán)境下，鉬源和硫源在基底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成二硫化鉬并沉積在基底上。與傳統(tǒng)制備方法相比，表面原位制備技術(shù)具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)原子級(jí)別的精準(zhǔn)控制。在表面原位生長(zhǎng)過(guò)程中，可以通過(guò)精確調(diào)控反應(yīng)條件，如溫度、氣體流量、催化劑種類和濃度等，實(shí)現(xiàn)對(duì)二維材料生長(zhǎng)層數(shù)、晶體取向和缺陷密度的有效控制。通過(guò)精確控制原子的沉積速率和襯底溫度，可以制備出層數(shù)均勻、晶體結(jié)構(gòu)完美的二維材料，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)材料結(jié)構(gòu)和性能的嚴(yán)格要求。表面原位制備技術(shù)避免了傳統(tǒng)制備方法中轉(zhuǎn)移過(guò)程可能引入的雜質(zhì)和損傷。在傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積法制備二維材料后，往往需要將材料從生長(zhǎng)基底轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基底上，這個(gè)轉(zhuǎn)移過(guò)程容易引入雜質(zhì)，如殘留的光刻膠、金屬離子等，同時(shí)也可能導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)劃痕、褶皺等損傷，影響材料的性能。而表面原位制備技術(shù)直接在目標(biāo)基底上生長(zhǎng)二維材料，避免了轉(zhuǎn)移過(guò)程，從而有效保證了材料的純凈度和完整性。表面原位制備技術(shù)還具有可調(diào)控生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。可以根據(jù)實(shí)際需求，通過(guò)調(diào)整反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)二維材料生長(zhǎng)區(qū)域、生長(zhǎng)速率和生長(zhǎng)形態(tài)的精確調(diào)控。在制備二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，可以通過(guò)精確控制不同材料的生長(zhǎng)順序和生長(zhǎng)條件，實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的精確構(gòu)建，為開(kāi)發(fā)新型的二維材料基器件提供了可能。4.2典型的表面原位制備案例分析4.2.1液態(tài)銅上原位生長(zhǎng)高質(zhì)量單晶轉(zhuǎn)角雙層石墨烯中科院化學(xué)所于貴課題組在液態(tài)銅基底上實(shí)現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)角范圍為0°至30°的高質(zhì)量單晶轉(zhuǎn)角雙層石墨烯（TBG）的局部空間限制化學(xué)氣相沉積（CVD）生長(zhǎng)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)在1100°C的常壓CVD系統(tǒng)中展開(kāi)，將一根長(zhǎng)度為10cm的實(shí)心石英棒放置在Cu/W基板的上游，石英管內(nèi)徑為20毫米，石英棒外徑為19毫米，二者之間形成1毫米的狹窄間隙。在TBG生長(zhǎng)過(guò)程中，混合氣體分子被限制在該間隙中相互碰撞，從而產(chǎn)生更多活性碳物種。通過(guò)使用準(zhǔn)原子光滑的液態(tài)銅作為基底，成功合成了含有兩個(gè)具有相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的石墨烯層的均勻TBG。在生長(zhǎng)過(guò)程中，氣態(tài)碳源在高溫和催化劑作用下分解，產(chǎn)生的碳原子在液態(tài)銅表面吸附、擴(kuò)散。由于液態(tài)銅表面具有準(zhǔn)原子光滑性且無(wú)晶界，表面活性碳原子的熱運(yùn)動(dòng)降低了遷移勢(shì)壘能，顯著放大了碳原子的表面擴(kuò)散速率和石墨烯的生長(zhǎng)速率。在這種條件下，兩個(gè)石墨烯層相繼在液態(tài)銅表面生長(zhǎng)，且層間形成了具有特定扭轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)。通過(guò)光學(xué)顯微鏡（OM）觀察發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)移后的大范圍扭轉(zhuǎn)角的TBG疇均為規(guī)則六邊形，結(jié)晶度高，均勻性好。通過(guò)測(cè)量六邊形TBG域的銳邊形成的平均角度來(lái)確定層間扭轉(zhuǎn)角。原子力顯微鏡（AFM）圖像清晰展示了TBG的獨(dú)特形態(tài)，沿著白色虛線的高度剖面驗(yàn)證了約1.1nm的高度，明確證明了雙層石墨烯的典型厚度和清潔表面。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像也明確證明了TBG域的極其干凈和均勻的表面。采用拉曼光譜對(duì)不同扭曲角的TBG域的結(jié)晶質(zhì)量和層間電子耦合進(jìn)行表征，具有不同扭轉(zhuǎn)角的TBG的拉曼光譜表現(xiàn)出明顯的區(qū)別。通過(guò)基于OM圖像的仔細(xì)角度統(tǒng)計(jì)分析，研究人員進(jìn)一步研究了TBG樣品的扭轉(zhuǎn)角分布。在867個(gè)雙層石墨烯疇中，AB堆疊石墨烯疇92個(gè)，扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯疇775個(gè)，分別占約11%和約89%。在所有TBG域中，扭轉(zhuǎn)角為30°的TBG域所占比例最大，其次是近30°，然后是4-6°。為了說(shuō)明CVD生長(zhǎng)的TBG的熱穩(wěn)定性，在低壓CVD系統(tǒng)中使用合成氣體在350°C下將TBG域退火4小時(shí)，退火后所有TBG域都保持其扭轉(zhuǎn)角度，表明原位CVD生長(zhǎng)的TBG表現(xiàn)出熱穩(wěn)定性。使用選區(qū)電子衍射（SAED）圖案可以清楚地確定TBG的扭轉(zhuǎn)角，兩組相對(duì)旋轉(zhuǎn)的六邊形點(diǎn)之間的夾角反映了TBG的層間扭轉(zhuǎn)角。OM邊緣和SAED圖案測(cè)量的比較分析表明，通過(guò)兩種方法獲得的TBG扭轉(zhuǎn)角幾乎相同。該研究成果為二維扭曲材料的原位制備提供了一種有效的方法。通過(guò)精確控制生長(zhǎng)條件，實(shí)現(xiàn)了在液態(tài)銅表面生長(zhǎng)高質(zhì)量的單晶TBG，為后續(xù)研究二維扭曲材料的物理性質(zhì)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在電子領(lǐng)域，TBG獨(dú)特的扭轉(zhuǎn)角相關(guān)特性使其在高速晶體管、邏輯電路和傳感器等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。高結(jié)晶度和清潔表面的TBG有望提高電子器件的性能和穩(wěn)定性，為下一代高性能電子器件的發(fā)展提供了新的材料選擇。4.2.2金屬在二維MXene材料表面原位還原生長(zhǎng)上海師范大學(xué)李輝教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)金屬在二維MXene材料表面原位還原生長(zhǎng)展開(kāi)深入研究。金屬/二維材料復(fù)合物在眾多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，然而其合成過(guò)程涉及金屬前驅(qū)體、載體、還原劑、溶劑，甚至是結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑之間錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用，難以實(shí)現(xiàn)金屬的精準(zhǔn)調(diào)控。為克服這一難題，團(tuán)隊(duì)基于二維MXene材料上金屬原位還原（自還原）策略，系統(tǒng)研究了金屬在MXene表面的成核和生長(zhǎng)過(guò)程。團(tuán)隊(duì)總結(jié)出控制材料結(jié)構(gòu)的三條指導(dǎo)原則。氧化還原電位決定金屬能否還原，若金屬的氧化還原電位合適，MXene材料可將金屬離子還原為零價(jià)態(tài)。Mn?的配位環(huán)境決定金屬在MXene上的沉積位置，不同的配位環(huán)境會(huì)使金屬沉積在MXene的不同位置，如邊緣或表面。金屬與MXene的晶格匹配度決定沉積金屬的尺寸，晶格匹配度較好時(shí)，有利于形成尺寸較大且穩(wěn)定的金屬顆粒?；谶@些原則，團(tuán)隊(duì)成功合成了多種預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的M/Ti?C?Tx復(fù)合材料，如AgAu-Edge/Ti?C?Tx、AgAu-Surface/Ti?C?Tx、Ag@Au-Edge/Ti?C?Tx等納米結(jié)構(gòu)。在AgAu-Edge/Ti?C?Tx復(fù)合材料中，銀和金的原子通過(guò)原位還原在Ti?C?Tx的邊緣沉積，形成了具有特定結(jié)構(gòu)和性能的復(fù)合材料。通過(guò)高分辨率透射電子顯微鏡（HR-TEM）等表征手段，可以清晰地觀察到金屬在MXene表面的沉積位置和結(jié)構(gòu)。該合成策略還可以拓展到其它二維MXene材料，包括Mo?CTx、V?CTx、Ti?CNTx、Nb?C?Tx和Mo?Ti?C?Tx等。團(tuán)隊(duì)將Au、Ag、Pd等多種金屬組合成功沉積到各種二維MXene材料，制備了一系列M/MXene復(fù)合材料。這些復(fù)合材料在催化、傳感、生物技術(shù)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在催化領(lǐng)域，金屬/MXene復(fù)合材料的獨(dú)特結(jié)構(gòu)可以提供更多的活性位點(diǎn)，提高催化反應(yīng)的效率和選擇性。在電催化析氫反應(yīng)中，某些金屬/MXene復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性，能夠降低析氫反應(yīng)的過(guò)電位，提高氫氣的產(chǎn)生速率。在傳感領(lǐng)域，復(fù)合材料的高比表面積和良好的導(dǎo)電性使其對(duì)某些氣體分子具有較高的吸附和傳感性能，可以用于檢測(cè)環(huán)境中的有害氣體或生物分子。在生物技術(shù)領(lǐng)域，金屬/MXene復(fù)合材料的生物相容性和特殊的物理化學(xué)性質(zhì)使其在生物成像、藥物輸送等方面具有潛在的應(yīng)用前景，如可以作為藥物載體，實(shí)現(xiàn)藥物的靶向輸送和控制釋放。五、二維材料制備方法的改進(jìn)策略與實(shí)踐5.1改進(jìn)策略的提出為了克服二維材料傳統(tǒng)制備方法的局限性，提升二維材料的制備質(zhì)量與效率，從多維度提出改進(jìn)策略，旨在突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，推動(dòng)二維材料在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。在優(yōu)化反應(yīng)條件方面，溫度、壓力、氣體流量和反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)二維材料的生長(zhǎng)過(guò)程和最終性能有著關(guān)鍵影響。以化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備石墨烯為例，溫度不僅決定了碳源的分解速率，還影響著碳原子在襯底表面的擴(kuò)散和沉積行為。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，碳原子的擴(kuò)散速率過(guò)快，可能導(dǎo)致石墨烯生長(zhǎng)不均勻，出現(xiàn)缺陷增多的情況；而溫度過(guò)低，則碳源分解不充分，生長(zhǎng)速率緩慢，難以實(shí)現(xiàn)高效制備。通過(guò)精確控制反應(yīng)溫度，如在1000-1100℃的范圍內(nèi)，可使碳原子在襯底表面有序沉積，從而生長(zhǎng)出高質(zhì)量的石墨烯薄膜。氣體流量的控制也至關(guān)重要，在制備過(guò)渡金屬硫化物（TMDs）時(shí)，硫源和金屬源氣體的流量比例會(huì)影響材料的化學(xué)計(jì)量比和晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)硫源氣體流量不足時(shí)，可能導(dǎo)致TMDs中硫原子缺失，形成硫空位，影響材料的電學(xué)和光學(xué)性能。因此，通過(guò)優(yōu)化氣體流量比例，確保硫源和金屬源的充分反應(yīng)，可提高TMDs的質(zhì)量和性能。創(chuàng)新工藝路線是改進(jìn)二維材料制備方法的重要方向。傳統(tǒng)的制備工藝在面對(duì)復(fù)雜的二維材料體系時(shí)，往往難以實(shí)現(xiàn)精確控制。近年來(lái)，一些新型的工藝路線不斷涌現(xiàn)，為二維材料的制備帶來(lái)了新的思路。一種熔體輔助生長(zhǎng)二維材料的普適性策略，利用經(jīng)典生長(zhǎng)單晶的熔融析出機(jī)理輔以限域空間、熔體浸潤(rùn)性等動(dòng)力學(xué)控制因素，成功制備出近百種超薄二維單晶納米片，包括層狀或非層狀、少元或多元二維單晶材料。該方法通過(guò)組分均勻的熔融相精準(zhǔn)控制產(chǎn)物的組分，展現(xiàn)出了制備二維單晶薄膜的潛力。相比傳統(tǒng)合成方法，熔體析出法具有高效穩(wěn)定、組分可控和重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)外在生長(zhǎng)條件（如溫度、氣流大小、前驅(qū)體數(shù)量等）具有較高容忍度。在制備多元二維材料時(shí)，傳統(tǒng)CVD方法容易發(fā)生相分離，而熔體輔助生長(zhǎng)法能夠通過(guò)精確控制熔融相的組成和生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，有效避免相分離現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)多元二維材料的高質(zhì)量制備。引入新的生長(zhǎng)機(jī)制也是改進(jìn)制備方法的關(guān)鍵策略。二維材料的生長(zhǎng)過(guò)程涉及原子或分子的吸附、擴(kuò)散、反應(yīng)和沉積等多個(gè)步驟，傳統(tǒng)的生長(zhǎng)機(jī)制在實(shí)現(xiàn)原子級(jí)精確控制方面存在一定的困難。中國(guó)科學(xué)院物理研究所的科研人員提出了原子級(jí)制造的范德華擠壓技術(shù)，通過(guò)將金屬熔化并利用高質(zhì)量單層MoS?范德華壓砧擠壓，實(shí)現(xiàn)了埃米極限厚度下各種二維金屬的普適制備。這種技術(shù)利用范德華力的作用，在原子尺度上精確控制金屬的厚度和結(jié)構(gòu)，為二維金屬的制備提供了新的途徑。在制備二維金屬時(shí)，傳統(tǒng)方法難以克服金屬鍵的強(qiáng)相互作用，實(shí)現(xiàn)原子級(jí)厚度的制備。而范德華擠壓技術(shù)通過(guò)巧妙地利用范德華壓砧的原子級(jí)平整表面和強(qiáng)大的壓力承受能力，成功地將金屬壓制到原子級(jí)厚度，并且能夠精確控制二維金屬的層數(shù)，為揭示二維金屬的新奇物理性質(zhì)提供了可能。5.2基于新策略的制備方法實(shí)踐5.2.1熔體輔助生長(zhǎng)二維材料熔體輔助生長(zhǎng)法是一種新興的二維材料制備策略，其原理基于經(jīng)典生長(zhǎng)單晶的熔融析出機(jī)理，并結(jié)合限域空間、熔體浸潤(rùn)性等動(dòng)力學(xué)控制因素。在該方法中，首先將前驅(qū)體粉末與助熔劑充分混合，形成均勻的熔融相。助熔劑在其中起到關(guān)鍵作用，它能夠降低前驅(qū)體的熔點(diǎn)，使前驅(qū)體在相對(duì)較低的溫度下熔化，從而促進(jìn)原子或分子的擴(kuò)散和反應(yīng)。同時(shí)，助熔劑還能提供一個(gè)均勻的反應(yīng)環(huán)境，有助于精確控制產(chǎn)物的組分。以制備二維硫化鉬（MoS?）單晶納米片為例，具體過(guò)程如下：將鉬源（如MoO?）、硫源（如S）和助熔劑（如Li?S）按一定比例混合均勻。這里，Li?S作為助熔劑，不僅能夠降低鉬源和硫源的反應(yīng)溫度，還能促進(jìn)鉬原子和硫原子在熔融相中均勻分布。將混合粉末放置在兩個(gè)平行的襯底之間，通過(guò)施加一定壓力，使前驅(qū)體粉末位于限域空間內(nèi)。這種限域空間能夠限制晶體在垂直方向上的生長(zhǎng)，有利于形成超薄的二維結(jié)構(gòu)。在惰性氣氛中，將樣品加熱到反應(yīng)溫度（通常在500-800℃之間），并保溫一段時(shí)間。在這個(gè)過(guò)程中，前驅(qū)體在助熔劑的作用下發(fā)生反應(yīng)，MoO?與S在Li?S熔體中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成MoS?。由于限域空間和熔體浸潤(rùn)性的控制，MoS?優(yōu)先在襯底表面沿著二維方向生長(zhǎng)，逐漸形成二維硫化鉬單晶納米片。反應(yīng)結(jié)束后，緩慢降溫，將兩個(gè)襯底分開(kāi)，即可得到生長(zhǎng)在襯底上的二維硫化鉬單晶納米片。熔體輔助生長(zhǎng)法在制備二維材料方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。該方法能夠精確控制產(chǎn)物的組分。通過(guò)精確調(diào)配前驅(qū)體和助熔劑的比例，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)二維材料化學(xué)計(jì)量比的精準(zhǔn)控制，從而制備出具有特定性能的二維材料。在制備多元二維材料時(shí)，傳統(tǒng)方法容易出現(xiàn)相分離現(xiàn)象，導(dǎo)致材料性能不穩(wěn)定。而熔體輔助生長(zhǎng)法通過(guò)均勻的熔融相，能夠有效避免相分離，確保多元組分在二維材料中均勻分布。這種方法對(duì)外在生長(zhǎng)條件具有較高容忍度。與傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積（CVD）法相比，熔體輔助生長(zhǎng)法對(duì)溫度、氣流大小、前驅(qū)體數(shù)量等條件的變化不太敏感。在CVD法中，微小的溫度波動(dòng)或氣體流量變化可能會(huì)導(dǎo)致二維材料生長(zhǎng)不均勻或出現(xiàn)缺陷。而熔體輔助生長(zhǎng)法在一定范圍內(nèi)的條件變化下，仍能穩(wěn)定地生長(zhǎng)出高質(zhì)量的二維材料。該方法還具有高效穩(wěn)定、重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)。由于其生長(zhǎng)機(jī)制相對(duì)簡(jiǎn)單，且對(duì)生長(zhǎng)條件的要求較為寬松，使得熔體輔助生長(zhǎng)法能夠?qū)崿F(xiàn)高效、穩(wěn)定的制備過(guò)程，并且在多次實(shí)驗(yàn)中能夠得到重復(fù)性較好的結(jié)果?；谌垠w輔助生長(zhǎng)法，研究人員成功制備出近百種超薄二維單晶納米片，涵蓋層狀或非層狀、少元或多元二維單晶材料。在層狀材料方面，除了上述的硫化鉬，還成功制備出二硒化鎢（WSe?）、二碲化鉬（MoTe?）等。這些層狀二維材料在光電器件、催化等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。在非層狀材料方面，制備出FeGe、CuCrTe?等非層狀二維單晶納米片。這些非層狀二維材料展現(xiàn)出獨(dú)特的物理性質(zhì)，如FeGe在低溫下表現(xiàn)出鐵磁特性，為研究新型磁性材料提供了新的選擇。在多元二維材料制備中，成功合成出CuInP?S?、AgInP?Se?等四元化合物以及Fe?GeTe?、CdPS?等三元化合物。這些多元二維材料由于其復(fù)雜的原子結(jié)構(gòu)和電子態(tài)，在光電轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)能等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。5.2.2范德華擠壓技術(shù)制備二維金屬范德華擠壓技術(shù)是一種用于制備二維金屬的創(chuàng)新方法，為突破二維金屬制備難題提供了有效途徑。其原理基于利用范德華力和機(jī)械壓力的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬原子的精確操控，從而制備出原子級(jí)厚度的二維金屬。具體而言，該技術(shù)采用高質(zhì)量單層二硫化鉬（MoS?）作為范德華壓砧。MoS?具有原子級(jí)平整的表面和較強(qiáng)的機(jī)械性能，能夠承受高壓且為二維金屬的生長(zhǎng)提供理想的原子級(jí)平整界面。在制備過(guò)程中，首先將目標(biāo)金屬加熱至熔化狀態(tài)。以制備二維鉍（Bi）為例，將鉍金屬加熱到其熔點(diǎn)（271.3℃）以上，使其變?yōu)橐簯B(tài)。然后，將熔化的鉍置于兩片單層MoS?范德華壓砧之間。通過(guò)施加精確控制的壓力，使液態(tài)鉍在范德華力和機(jī)械壓力的共同作用下，被擠壓成原子級(jí)厚度的二維鉍。在這個(gè)過(guò)程中，MoS?壓砧不僅提供了原子級(jí)平整的表面，引導(dǎo)鉍原子在二維平面上均勻分布，還通過(guò)范德華力與鉍原子相互作用，穩(wěn)定二維鉍的結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)在制備二維金屬方面展現(xiàn)出諸多性能優(yōu)勢(shì)。制備出的二維金屬具有優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性。通過(guò)范德華擠壓技術(shù)制備的二維金屬上下均被單層MoS?封裝，這種封裝結(jié)構(gòu)有效地保護(hù)了二維金屬免受外界環(huán)境的影響，如氧化、腐蝕等。實(shí)驗(yàn)表明，在超過(guò)一年的測(cè)試中，二維金屬的性能無(wú)明顯退化。在電學(xué)性能方面，二維金屬表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)。以單層鉍為例，其電導(dǎo)率隨著溫度的降低近線性增加，表現(xiàn)出經(jīng)典金屬行為，室溫電導(dǎo)率可達(dá)～9.0×10?S/m，比塊體鉍的室溫電導(dǎo)率（~7.8×10?S/m）高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。并且，單層鉍展現(xiàn)出明顯的P型電場(chǎng)效應(yīng)，其電阻可被柵電壓調(diào)控達(dá)35%（塊體金屬通常小于1%）。這種獨(dú)特的電學(xué)性能為低功耗全金屬晶體管和高頻器件的發(fā)展提供了可能。在光學(xué)和力學(xué)性能方面，二維金屬也呈現(xiàn)出與塊體金屬不同的特性。在光學(xué)上，二維金屬對(duì)光的吸收和發(fā)射表現(xiàn)出尺寸和維度依賴的特性，為光電器件的設(shè)計(jì)提供了新的思路。在力學(xué)性能上，盡管二維金屬的厚度極薄，但由于其原子排列的特殊性和與MoS?壓砧的協(xié)同作用，表現(xiàn)出一定的柔韌性和機(jī)械穩(wěn)定性。范德華擠壓技術(shù)的成功應(yīng)用，對(duì)拓寬二維材料家族具有重要意義。在此之前，二維材料基本局限在范德華層狀材料體系，而二維金屬的制備一直是材料科學(xué)領(lǐng)域的難題。該技術(shù)的出現(xiàn)，成功實(shí)現(xiàn)了埃米極限厚度下各種二維金屬的普適制備，包括鉍（Bi，6.3?）、錫（Sn，5.8?）、鉛（Pb，7.5?）、銦（In，8.4?）和鎵（Ga，9.2?）等。這不僅豐富了二維材料的種類，還為研究二維金屬的新奇物理性質(zhì)提供了可能。二維金屬獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能，有望在超微型低功耗晶體管、透明顯示、超靈敏傳感探測(cè)、極致高效催化等眾多領(lǐng)域帶來(lái)技術(shù)革新。在超微型低功耗晶體管中，二維金屬的高電導(dǎo)率和可調(diào)控的電學(xué)性能能夠提高晶體管的開(kāi)關(guān)速度和降低功耗；在透明顯示領(lǐng)域，二維金屬的原子級(jí)厚度和良好的光學(xué)性能有望實(shí)現(xiàn)更高分辨率和更輕薄的顯示屏幕。六、制備方法對(duì)二維材料性能及應(yīng)用的影響6.1不同制備方法對(duì)材料性能的影響6.1.1電學(xué)性能不同的制備方法對(duì)二維材料的電學(xué)性能有著顯著的影響，這種影響主要體現(xiàn)在晶體結(jié)構(gòu)、缺陷密度和電子結(jié)構(gòu)等方面。以化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備石墨烯為例，在CVD生長(zhǎng)過(guò)程中，若反應(yīng)溫度、氣體流量等條件控制不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致石墨烯晶體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷。這些缺陷會(huì)改變石墨烯的電子云分布，增加電子散射概率，從而降低其載流子遷移率。研究表明，在高溫下生長(zhǎng)的石墨烯，由于碳原子擴(kuò)散速度過(guò)快，容易形成空位、晶界等缺陷，使得載流子遷移率從理想狀態(tài)下的15000平方厘米/伏秒下降至數(shù)千平方厘米/伏秒。機(jī)械剝離法制備的石墨烯，由于其制備過(guò)程相對(duì)溫和，晶體結(jié)構(gòu)較為完整，缺陷密度較低，因此能夠較好地保持石墨烯本征的電學(xué)性能。通過(guò)機(jī)械剝離法制備的石墨烯，其載流子遷移率能夠接近理論值，在高速電子器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。然而，機(jī)械剝離法制備的石墨烯尺寸較小，難以滿足大規(guī)模電子器件的需求。在過(guò)渡金屬硫化物（TMDs）的制備中，液相剝離法制備的二硫化鉬（MoS?）由于在剝離過(guò)程中使用了有機(jī)溶劑或表面活性劑，容易引入雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)改變MoS?的電子結(jié)構(gòu)，影響其電學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液相剝離法制備的MoS?的電導(dǎo)率相較于化學(xué)氣相沉積法制備的MoS?有所降低，這是因?yàn)殡s質(zhì)的存在增加了電子散射中心，阻礙了電子的傳輸?；瘜W(xué)氣相沉積法在制備MoS?時(shí)，能夠精確控制MoS?的層數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)。通過(guò)調(diào)整反應(yīng)條件，可以制備出具有不同能帶結(jié)構(gòu)的MoS?。例如，通過(guò)控制生長(zhǎng)溫度和硫源的流量，可以制備出具有不同硫空位濃度的MoS?，從而調(diào)控其電學(xué)性能。研究表明，適量的硫空位可以增加MoS?的載流子濃度，提高其電導(dǎo)率，但過(guò)多的硫空位會(huì)引入缺陷態(tài)，降低材料的電學(xué)性能。6.1.2光學(xué)性能制備方法對(duì)二維材料光學(xué)性能的影響同樣不可忽視，這主要源于制備過(guò)程對(duì)材料晶體結(jié)構(gòu)、缺陷以及電子態(tài)的改變。在化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備二維材料時(shí)，生長(zhǎng)過(guò)程中的溫度、氣體流量等因素會(huì)顯著影響材料的晶體質(zhì)量，進(jìn)而影響其光學(xué)性能。以CVD法制備的二硫化鉬（MoS?）為例，當(dāng)生長(zhǎng)溫度過(guò)高時(shí)，MoS?晶體中可能會(huì)出現(xiàn)較多的缺陷，如硫空位等。這些缺陷會(huì)在材料的能帶結(jié)構(gòu)中引入雜質(zhì)能級(jí)，改變電子的躍遷過(guò)程，從而影響MoS?的光吸收和光發(fā)射性能。研究發(fā)現(xiàn)，含有較多硫空位的MoS?在光吸收譜中會(huì)出現(xiàn)額外的吸收峰，這是由于硫空位導(dǎo)致的電子躍遷引起的。在光發(fā)射方面，缺陷的存在會(huì)增加非輻射復(fù)合的概率，降低MoS?的熒光量子產(chǎn)率。機(jī)械剝離法制備的二維材料，由于其晶體結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，缺陷較少，能夠展現(xiàn)出更接近本征的光學(xué)性能。以機(jī)械剝離法制備的石墨烯為例，其在光吸收方面表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)，能夠吸收約2.3%的可見(jiàn)光，這一特性源于石墨烯的零帶隙線性色散關(guān)系以及其原子級(jí)平整的晶體結(jié)構(gòu)。在光發(fā)射方面，機(jī)械剝離法制備的石墨烯在特定條件下能夠?qū)崿F(xiàn)高效的光發(fā)射，如在與襯底相互作用或與其他材料復(fù)合時(shí)，通過(guò)調(diào)控電子態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)特定波長(zhǎng)的光發(fā)射。液相剝離法制備的二維材料，由于在制備過(guò)程中可能引入雜質(zhì)，會(huì)對(duì)其光學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。在制備過(guò)渡金屬硫化物（TMDs）時(shí)，使用的有機(jī)溶劑或表面活性劑可能會(huì)殘留在材料表面或內(nèi)部，這些雜質(zhì)會(huì)干擾材料的電子態(tài)，影響光與材料的相互作用。實(shí)驗(yàn)表明，液相剝離法制備的TMDs在光致發(fā)光光譜中，發(fā)光峰的強(qiáng)度和位置會(huì)發(fā)生變化，這是由于雜質(zhì)導(dǎo)致的電子態(tài)改變引起的。此外，液相剝離法制備的二維材料尺寸通常較小，量子限域效應(yīng)可能會(huì)對(duì)其光學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致其光吸收和發(fā)射特性與大塊材料有所不同。6.1.3力學(xué)性能制備方法對(duì)二維材料力學(xué)性能的影響主要體現(xiàn)在晶體結(jié)構(gòu)完整性、缺陷密度以及層間相互作用等方面?；瘜W(xué)氣相沉積（CVD）法在制備二維材料時(shí)，由于生長(zhǎng)過(guò)程中的高溫和化學(xué)反應(yīng)，可能會(huì)在材料中引入缺陷。在CVD法制備石墨烯時(shí)，高溫下碳原子的擴(kuò)散和反應(yīng)可能導(dǎo)致石墨烯中出現(xiàn)空位、晶界等缺陷。這些缺陷會(huì)破壞石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)，降低其力學(xué)強(qiáng)度。研究表明，含有較多缺陷的石墨烯在受到外力作用時(shí)，更容易發(fā)生破裂，其拉伸強(qiáng)度和楊氏模量會(huì)明顯下降。此外，CVD法制備的石墨烯在生長(zhǎng)過(guò)程中，與襯底之間的相互作用也會(huì)影響其力學(xué)性能。如果石墨烯與襯底之間的結(jié)合力過(guò)強(qiáng)，在后續(xù)的轉(zhuǎn)移過(guò)程中，可能會(huì)導(dǎo)致石墨烯產(chǎn)生褶皺或裂紋，進(jìn)一步降低其力學(xué)性能。機(jī)械剝離法制備的二維材料，由于是從塊體材料中直接剝離得到，晶體結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，缺陷較少，因此具有較好的力學(xué)性能。以機(jī)械剝離法制備的石墨烯為例，其理論強(qiáng)度高達(dá)130GPa，這是由于石墨烯中碳原子之間通過(guò)強(qiáng)大的共價(jià)鍵形成穩(wěn)定的六邊形晶格結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)械剝離法制備的石墨烯在承受外力時(shí)，能夠保持較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，展現(xiàn)出較高的力學(xué)強(qiáng)度和柔韌性。然而，機(jī)械剝離法制備的石墨烯尺寸有限，難以滿足大規(guī)模應(yīng)用的需求。液相剝離法制備的二維材料，由于在剝離過(guò)程中使用了超聲等外力，可能會(huì)對(duì)材料的晶體結(jié)構(gòu)造成一定的損傷，從而影響其力學(xué)性能。在液相剝離法制備過(guò)渡金屬硫化物（TMDs）時(shí)，超聲作用可能會(huì)導(dǎo)致TMDs片層出現(xiàn)破裂或邊緣缺陷。這些缺陷會(huì)降低TMDs的力學(xué)強(qiáng)度，使其在受到外力作用時(shí)更容易發(fā)生斷裂。此外，液相剝離法制備的TMDs在層間相互作用方面也可能與其他制備方法有所不同。由于在剝離過(guò)程中使用了有機(jī)溶劑或表面活性劑，這些物質(zhì)可能會(huì)吸附在TMDs片層表面，改變層間的相互作用，進(jìn)而影響其力學(xué)性能。6.2材料性能與應(yīng)用的關(guān)聯(lián)6.2.1電子器件領(lǐng)域在電子器件領(lǐng)域，二維材料的性能對(duì)器件性能起著決定性作用。以場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）為例，二維材料的電學(xué)性能直接影響著晶體管的性能。石墨烯由于其高載流子遷移率，在晶體管應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。理論上，石墨烯晶體管的開(kāi)關(guān)速度可達(dá)到太赫茲級(jí)別，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)硅基晶體管。然而，石墨烯零帶隙的特性限制了其在數(shù)字電路中的應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，科研人員通過(guò)對(duì)石墨烯進(jìn)行化學(xué)修飾或與其他材料復(fù)合等方法，在石墨烯中引入帶隙。例如，在石墨烯上沉積一層六方氮化硼（h-BN）形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用h-BN的寬帶隙特性，在石墨烯中誘導(dǎo)出一定的帶隙，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯電學(xué)性能的調(diào)控，使其能夠滿足數(shù)字電路中晶體管的需求。過(guò)渡金屬硫化物（TMDs），如二硫化鉬（MoS?），由于其本征帶隙的存在，在晶體管應(yīng)用中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。MoS?的帶隙約為1.8eV，這使得它能夠有效地實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制，降低漏電電流。在制備MoS?晶體管時(shí)，通過(guò)精確控制MoS?的層數(shù)和晶體質(zhì)量，可以進(jìn)一步優(yōu)化晶體管的性能。研究表明，單層MoS?晶體管具有較高的載流子遷移率和開(kāi)關(guān)比，在低功耗、高性能的集成電路中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。然而，目前MoS?晶體管的性能仍受到一些因素的限制，如載流子遷移率相對(duì)較低、接觸電阻較大等。為了提高M(jìn)oS?晶體管的性能，科研人員通過(guò)優(yōu)化制備工藝、改善界面接觸等方法，不斷提升MoS?晶體管的性能。例如，采用原子層沉積（ALD）技術(shù)在MoS?表面沉積高質(zhì)量的柵介質(zhì)，能夠有效降低界面陷阱密度，提高載流子遷移率。6.2.2能源存儲(chǔ)領(lǐng)域在能源存儲(chǔ)領(lǐng)域，二維材料的性能與電池和超級(jí)電容器的性能密切相關(guān)。在鋰離子電池中，二維材料的高比表面積和良好的導(dǎo)電性使其成為理想的電極材料。石墨烯作為鋰離子電池電極材料時(shí)，其高導(dǎo)電性可以有效提高電子傳輸速率，縮短離子擴(kuò)散路徑。同時(shí)，石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)能夠?yàn)殇囯x子的嵌入和脫出提供豐富的空間，提高電池的容量和充放電性能。研究表明，將石墨烯與過(guò)渡金屬氧化物復(fù)合，如石墨烯/二氧化錳（MnO?）復(fù)合材料，可以進(jìn)一步提高鋰離子電池的性能。MnO?具有較高的理論比容量，但導(dǎo)電性較差，而石墨烯的高導(dǎo)電性可以彌補(bǔ)MnO?的不足，二者復(fù)合后，在充放電過(guò)程中，MnO?提供容量，石墨烯則保證了電子的快速傳輸，從而提高了電池的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性。過(guò)渡金屬硫化物（TMDs），如二硫化鉬（MoS?），在鋰離子電池中也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。MoS?具有較高的理論比容量（約為670mAh/g），其層狀結(jié)構(gòu)有利于鋰離子的快速嵌入和脫出。然而，MoS?在充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生體積變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，從而影響電池的循環(huán)壽命。為了解決這一問(wèn)題，科研人員通過(guò)對(duì)MoS?進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)化處理，如制備MoS?納米片，減小其顆粒尺寸，降低體積變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。同時(shí)，將MoS?與碳材料復(fù)合，如MoS?/碳納米管（CNT）復(fù)合材料，利用碳材料的柔韌性和高導(dǎo)電性，增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子傳輸能力，提高鋰離子電池的循環(huán)壽命和倍率性能。在超級(jí)電容器中，二維材料的高比表面積和良好的電化學(xué)穩(wěn)定性使其能夠提供高的比電容。石墨烯由于其極高的比表面積，在超級(jí)電容器中展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。通過(guò)化學(xué)修飾或與其他材料復(fù)合，如石墨烯/聚苯胺（PANI）復(fù)合材料，可以進(jìn)一步提高超級(jí)電容器的比電容和循環(huán)穩(wěn)定性。PANI具有較高的贗電容，