科学家们正在探索人工堆叠二维 (2D) 材料的新方法，引入具有独特物理特性的所谓 2.5D 材料。日本研究人员近日以“Science of 2.5 dimensional materials: paradigm shift of materials science toward future social innovation”为题，在 Science and Technology of Advanced Materials 上回顾了 2.5D 材料的最新进展和应用。
过去几十年材料科学的发现是我们当今社会的基础——从半导体器件的基础到最近物联网(IoT)技术的发展。这些材料科学的发展主要依赖于对有机分子和聚合物、无机晶体和薄膜中刚性化学键的控制，如共价键和离子键。最近石墨烯和其他二维(2D)材料的发现提供了一种通过控制它们的弱平面外范德华(vdW)相互作用来合成材料的新方法。
不同类型二维材料的人工堆叠是材料合成中的一个新概念，这种堆叠不受刚性化学键和晶格常数的限制。这为探索新的物理、化学和工程学提供了大量机会。vdW 堆栈的一个经常被忽视的特性是层间定义明确的 2D 纳米空间，这为新型材料的合成提供了独特的物理现象和丰富的领域。将插层化合物的科学应用于2D材料，为vdW纳米空间的使用提供了新的见解和期望。我们将这个新兴的科学领域称为“2.5 维 (2.5D) 材料”，以承认 2D 材料之外的重要额外自由度。
2.5D材料不仅提供了一个新的科学研究领域，而且有助于实际应用的发展，并将引领未来的社会创新。本文介绍了这门科学的新概念“2.5D材料”，并评述了基于这一新概念的最新研究进展。
（https://doi.org/10.1080/14686996.2022.2062576）
“2.5D 概念象征着不受二维材料研究中通常使用的组合、材料、角度和空间的限制，”日本九州大学的纳米材料研究人员 Hiroki Ago 解释说。
通过将不同的2D材料堆叠，现在可以创建具有独特物理特性的2.5D材料，可用于太阳能电池、量子器件和能耗非常低的器件中。来源：STAM
制造2.5D材料的常用方法是化学气相沉积（CVD），它在固体表面上沉积一层，一次沉积一个原子或分子。用于2.5D材料的常用原料包括石墨烯、六角氮化硼（hBN）和过渡金属二卤化物（TMDC）。
利用CVD方法，研究人员使用含较高镍浓度的铜镍箔作为催化剂，选择性地合成了双层石墨烯，这是2.5D材料的最简单形式。镍使碳具有高度可溶性，使研究人员能够更好地控制石墨烯层的数量。当在双层石墨烯上垂直施加电场时，它会形成一个带隙，这意味着它的导电性可以实现开和关。这是单层石墨烯中不能观察到的现象，因为单层石墨烯没有带隙，并且一直保持不变。通过将堆叠角度倾斜一度，科学家们发现这种材料变成了超导材料。
二维材料堆叠的科学重要性示意图。(a)单层石墨烯，(b) BLG。当以相同的角度堆叠时，即AB-stacking, BLG在垂直电场的存在下显示出带隙开放，这对于半导体应用是很有用的。(d)当BLG以魔术角(~1.1°)扭曲时，它在低温下变为超导。
类似地，英国和美国的另一个研究小组发现，石墨烯和hBN层会产生量子霍尔效应，这是一种传导现象，在磁场中可产生电位差。其他研究表明，堆叠TMDC会在重叠晶格图案中捕获激子（束缚态的电子与其相关空穴配对）。这可是它应用于信息存储设备中。新的机器人组装技术也使得建造更复杂的垂直结构成为可能，例如，由29层石墨烯和hBN交替组成的叠层异质结构。
其他研究利用2.5D材料层之间形成的纳米空间插入分子和离子，以改善主体材料的电学、磁学和光学性能。
堆叠二维材料中的插层
例如，到目前为止，研究人员发现，当石墨烯插入其堆叠层之间时，它会让氯化铁更稳定，而插入锂离子会形成比在石墨中更快的扩散速率（分子在一个区域内扩散的速度），石墨是电池中使用的电导体。这意味着这种材料可以用于高性能可充电电池。
此外，研究人员发现，在两个石墨烯片之间插入氯化铝分子会形成与大块氯化铝晶体完全不同的新晶体结构。需要进行更多的研究来理解为什么会发生这种情况，以及它可能被应用于有哪些应用中。
二维材料研究的趋势和未来发展方向。插图显示了关于石墨烯、TMDCs和hBN的出版物数量(标题包含每个词的科学论文的数量是基于ISI Web of Science数据库计算的)。
Ago表示：“有很多机会来探索这个新的2.5D概念。”
2.5D材料的未来应用包括太阳能电池、电池、柔性器件、量子器件和能耗非常低的器件。
“2.5D材料”科学的未来前景
下一步应该于机器学习、深度学习和材料信息学协同，以便进一步推进2.5D材料的设计和合成。
文献信息：
Hiroki Ago et al, Science of 2.5 dimensional materials: paradigm shift of materials science toward future social innovation, Science and Technology of Advanced Materials (2022). DOI: 10.1080/14686996.2022.2062576
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