2.5D，开启材料研究新时代

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石墨烯这样的二维材料由单层原子构成，常被应用于柔性触摸屏、集成电路和传感器等领域。而2.5D概念的引入意味着，研究将不再受2D材料的结构和组成制约，而是能将2D材料以垂直、共面或扭曲的形态人为地进行堆叠。这一技术的实现要归功于范德华力，即原子和分子之间的弱电相互作用，超细纤维布对尘埃的吸引力就属于这一类。此外，该研究还能将2D材料与离子、纳米管和块状晶体等其他维度材料结合起来。

通过堆叠不同的2D材料层，现在有可能创造出具有独特物理性能的2.5D材料，可用于太阳能电池、量子器件和极低能耗器件 | 参考文献[1]

化学气相沉积（CVD）是一种常见的2.5D材料制造方法。该方法每次在固体表面上沉积一个原子、一个分子或一层。2.5D材料常用的构件包括石墨烯、用于化妆品和航空业的六方氮化硼（hBN)，和纳米片状半导体过渡金属二卤代烃（TMDCs）等。

研究人员使用 CVD 方法，将镍含量相对较高的铜箔作为催化剂，选择性地合成了石墨烯双层膜——这也是2.5 D 材料最简单的形式。镍使碳变得高度可溶，研究人员因此能够更好地控制石墨烯的层数。当在双层石墨烯上施加一个垂直电场时，就可以打开一个带隙，由此可以控制石墨烯的导电性。而单层石墨烯由于没有带隙，则会始终处于导电状态。科学家们将双层石墨烯的堆积角度倾斜一度后，发现这种材料成为了超导体。

与此类似，英国和美国的研究小组发现，石墨烯和立方氮化硼层导致了量子霍尔效应，这是一种涉及磁场的传导现象，能产生势能差。此外，还有研究表明，堆叠的过渡金属二卤代烃（TMDCs）在重叠的晶格图案中捕获激子(束缚态下电子与其相关的空穴成对)，这一发现可以被应用于信息存储设备中。而新开发的机器人装配技术也使得建立更复杂的垂直结构成为可能，例如制造由29层石墨烯和六方氮化硼（hBN）交替组成的堆叠异质结构。

此外，研究人员还利用2.5 D材料层之间形成的纳米空间插入分子和离子，来改善主材料的电、磁和光学性能。到目前为止，科学家们已经发现，将石墨烯插入到堆叠层之间，能稳定氯化铁，而插入锂离子则使得电池中扩散速度比石墨更快。由于石墨是一种常用于电池的导体，这一发现意味着插入石墨烯的锂离子材料可以用于高性能的可充电电池。

研究人员还发现，在石墨烯片之间插入氯化铝分子能形成新的晶体结构，这种结构与氯化铝晶体完全不同。科研人员需要进一步研究来理解其成因、机制以及潜在应用价值。其他2.5 D材料的应用方向还包括太阳能板、电池、柔性器件、量子器件和低能耗器件等。下一步，科学家们将结合机器学习、深度学习和材料信息学，进一步推进2.5 D材料的设计和合成。

[1] https://phys.org/news/2022-05-age-25d-materials.html

[2] https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14686996.2022.2062576s

编译：绿洲

编辑：靳小明

排版：尹宁流

题图来源：参考文献[2]

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