二维材料规模制备技术系列前沿研究成果

二维材料是一种具有原子厚度片状结构的材料。自2004年曼彻斯特大学通过机械剥离的方法从高取向的裂解石墨中获得石墨烯后，以石墨烯为代表的二维材料在近二十年内获得了快速的发展。因其仅有几个原子层的厚度、表面光滑无悬挂键、高比表面积和免疫短沟道效应等特性而表现出优异的电学、光学、磁学和热学性质。在后摩尔时代，二维材料是实现我国芯片领域弯道超车的希望。如何实现大批量工业生产是当前各国研究二维材料的热点，接下来小编将为大家集中介绍一下近几年的相关研究进展。

新型堆垛生长二维材料范德华

二维范德华异质结是由两种或多种二维材料通过范德华力堆叠而成的复合材料，它们不受限于晶格匹配度，可以灵活的将多种材料组装在一起，从而产生奇特的物理性质，这一特性，使得当前二维材料的研究热点集结于此。

新型堆垛生长二维材料范德华异质结是以较高温度稳定性的二维材料为底层材料，在其上制备稳定温度稍低的二维材料，从而实现逐层堆叠生长vdWH。这种方法制备出来的vdWSH薄膜的相邻层之间并不会因此而发生化学反应，二维材料的超导特性也可以完整的被保留下来；对生长基体不存在依赖性。通过这种方式成功实现了27种二组元、15种三组元、5种四组元、3种五组元二维材料范德华异质结，每种组元中的二维材料结构稳定且层数可控，组元层间具有干净且平整的界面。这些二维材料范德华异质结可以观察到超导近邻效应，以及实现PN结整流和超导约瑟夫森结等功能。为二维材料在规模化功能器件方面的应用奠定了材料制备的基础。

二维范德华异质结

插层剥离技术

离子或小分子通过化学或电化学的方法插入层状材料的层空间，使层状材料出现体积膨胀的现象，此时层间的范德华力会被削弱，便于之后原子层的分离；再将插层后的层状材料进行水浴超声或机械搅拌，以达到分离原子层，形成剥离纳米片的悬浮液；对得到的悬浮液进行梯级离心处理，达到净化最终产品的目的。在离心过程中是包括一个低速离心处理及多个高速离心处理的步骤，低速离心可以去除较大的颗粒或未剥离的块体，高速离心是为了去除残余的插层剂或溶剂。通过这种方法已经成功制得hBN、黑磷、MoS₂等二维材料。该方法可以有效避免插层剥离过程中晶格缺陷得引入，避免晶相的改变，为制备超大横向尺寸（10-100微米）的原子薄片提供了可能。

自冷凝辅助CVD生长技术

金属有机骨架材料是一种具有周期性网络结构的新型结晶多孔材料，其可以应用于超导体、微型超级电容器、纱布、净水等领域。在以往我们仅能制备出MOF薄膜，现在可以利用自冷凝辅助CVD技术实现大尺寸MOF晶体的制备。

通过在CVD流程中设计陡峭的温度梯度，引入配体自冷凝产生液滴的策略，构建了临时的液体生长环境。该液体生长环境提升了前驱体分子的自由程和配位键的可逆性，实现了二维晶粒的动态生长，从而获得了数十微米尺寸的MOF单层单晶。

这种方式相较以往的CVD工艺，步骤更加简单；单晶的清洁程度以及结晶度会更好；自冷凝液体在整个过程中起到了至关重要的作用，它作为缓冲层，既可以使前驱体分子均匀的分布在液体中，又减少了液体内外对晶体成核和生长的干扰，促进了大尺寸、高质量单层MOF单晶的制备。

工艺流程图

总结

二维材料领域发展至今，让人们不断的看到它极大的应用前景，然而，机遇与挑战并存，如何实现大规模的工业生产，如何制备出高质量、高纯度、高稳定性的二维材料都是我们当下需要思考的问题！