中科院金属所任文才研究员等人发表题为 The 2D materials roadmap”于2D Materials上
路线图概述
本文全面概述了二维（2D）材料领域的最新研究进展、挑战及未来发展方向，涵盖了从材料合成、性质研究到商业化应用的多个方面。自石墨烯发现以来，2D材料迅速发展成为一类多样且不断扩大的材料家族，对基础研究和实际应用产生了深远影响。
首先，文章介绍了2D材料的多样性，包括石墨烯及其衍生物、过渡金属二硫化物（TMDCs）、MXenes等。这些材料因其独特的电子、光学和机械性能而备受关注。石墨烯作为最早被发现的2D材料，因其高载流子迁移率、线性电子谱和优异的机械性能，成为研究热点。此外，石墨烯的衍生物如氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）通过化学修饰进一步拓展了其应用范围。
在合成方面，文章讨论了化学气相沉积（CVD）、机械剥离和液相剥离等多种方法。CVD法因其能够制备大面积、高质量的单层或少数层2D材料而备受青睐，但成本较高且工艺复杂。机械剥离法虽然简单，但难以控制产物的尺寸和层数。液相剥离法则通过化学或物理手段将层状材料剥离成2D纳米片，具有成本低、产量高的优点，但产物质量参差不齐。随着研究的深入，如何实现2D材料的大规模、低成本、高质量合成成为关键挑战。
石墨烯发展历程
在性质研究方面，2D材料展现出丰富的物理现象和化学特性。例如，石墨烯的线性电子谱导致其具有独特的量子霍尔效应和克莱因隧穿现象。TMDCs材料因其可调的带隙和优异的发光性能，在光电器件领域具有广泛应用前景。MXenes作为一类新型2D材料，因其优异的导电性、机械性能和表面可修饰性，在能源存储和电磁屏蔽等领域表现出色。此外，文章还介绍了2D材料的异质结和莫尔超晶格结构，这些结构通过堆叠不同种类的2D材料形成，展现出许多新的量子现象和应用潜力。
大面积TMD单层和异质结构的合成路线图
在应用方面，2D材料已渗透到电子、光电子、能源存储、电催化、分离过滤、热管理和传感器等多个领域。在电子领域，2D材料因其原子级厚度和优异的电子传输性能，被认为是延续摩尔定律、实现器件小型化的关键材料。在光电子领域，2D材料因其可调的光学带隙和优异的光电响应性能，被广泛应用于光探测器、发光二极管和光调制器等器件中。在能源存储领域，2D材料因其高比表面积和优异的离子传输性能，成为超级电容器和锂离子电池等储能器件的理想电极材料。此外，2D材料在电催化、分离过滤和热管理等领域也展现出巨大的应用潜力。
二维材料在电子器件热管理中的现状与挑战
然而，2D材料的商业化应用仍面临诸多挑战。首先，如何实现高质量、大面积2D材料的低成本、可控制备是当前亟待解决的问题。其次，2D材料在实际应用中的稳定性和耐久性需要进一步提高。此外，针对特定应用场景，如何设计和优化2D材料的结构和性能也是未来的研究重点。
为了推动2D材料的商业化进程，文章强调了跨学科合作和标准化工作的重要性。通过加强材料科学、物理学、化学和工程学等学科的交叉融合，可以加速新材料的发现和性能优化。同时，建立和完善2D材料的相关标准，对于规范市场秩序、促进技术交流和推动产业升级具有重要意义。
文献：https://doi.org/10.1002/adfm.75332
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