新型二维晶体材料锑烯的制备及表征(2)
材料的性能往往是由它们的结构所决定的。二文材料中，由于电荷和热能的传播被局限在唯一的平面上，使得他们展现出一些不同于块体材料的物理性能。如铁磷族元素化合物等，这些材料所表现出的电荷密度波现象，高温超导等就和它们的二文结构性具有很大的关联[2]。而许多二文材料也由于它们的结构特性而具有极其优异的性能，这也使得这些材料界的新星受到了无数材料学家的追捧。
具体就以二文材料中的代表石墨烯为例，它是由sp2杂化的碳原子以吹冰方蜂巢的形式成键所形成的二文平面单层结构，属于碳的同素异形体。通过卷曲和堆叠可以生产出一文的碳纳米管和三文的石墨。石墨烯的结构十分稳定，碳碳键长仅为1.42埃。内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力在石墨烯上时，碳原子面会发生弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持了结构的稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。又由于原子间作用力很强，在室温下，即使周围碳原子发生碰撞，内部电子受到的干扰也非常小。石墨烯的电学、力学、光学、电化学等性能都十分的优秀。石墨烯是全世界已知的最坚硬的纳米材料，光吸收率只有2.3％[3]，具有极高的透光率，且电阻比银还小，是目前世界上电阻率最低的材料，它还具有惊人的电子迁移率，理论上可以达到光速的三百分之一，且在正常实验情况下也比硅快得多，其值超过了15000 cm2V-1s-1。这使得它可以作为下一代的的超薄且导电速率更快的电子元件或晶体管。除此之外，在K点的色散使得石墨烯还可以在室温下发生量子霍尔效应，并且开辟了全新的“费米迪拉克”物理学[4]。这些性质，使石墨烯具有广泛的应用前景，其中包括制造电容材料、气敏元件、液晶显示材料、复合材料、储氢材料、超导材料等 。
虽然二文材料具有这些优异的性能，可作为未来材料的候选，但它们也同样存在着一些棘手的问题，使得将其实际的应用化变得遥遥无期，尤其是在制备光电器件方面。依旧以石墨烯为例，虽然具有极高的电子迁移率，有望替代硅成为下一代更高速的电子器件的基础材料，甚至IBM已经着手开发基于石墨烯的下一代电脑的CPU芯片。但它也有一个致命的问题：没有带隙。纯石墨烯是一种半金属或是零能隙的半导体。这使得它不具备普通半导体的性质，无法实现开关。而之后发现的新型二文材料诸如二硫化钼，黑磷等也存在着各自的问题。前者在剥离到少层后电子迁移率突然大幅下降[5]，后者则难以稳定存在。不过，研发人员们也在探索克服这些问题的方法。
1.2 二文材料的研究现状
1.2.1 石墨烯
作为最典型的二文材料，更是作为一种新型半导体，石墨烯一直受到人们的持续关注与研究。然而零带隙的性质对其进一步的发展产生了不小的阻力，因此能否有效调节其电学性质决定着这种材料在微电子等领域中的应用前景。除此之外，如何高效地制备出的高纯度，无缺陷的石墨烯也是一个不小的挑战。就目前而言，掺杂似乎是调控石墨烯电学性质的较为有效的手段，而氮掺杂的技术较为成熟。虽然石墨烯的二文吹冰方蜂巢结构给掺杂带来了较大的困难，但经过不断地探索，如今可以利用离子注入技术，将高能离子轰击使石墨烯产生碳原子空位，之后再在氨气气氛中进行高温退火，利用氨气分解后产生的氮原子来填补碳原子空位缺陷，实现氮原子的掺杂[6]。至于高质量石墨烯的量产，可以用液相剪切剥离大规模制备高质量无缺陷的少层石墨烯。通过将石墨高剪切分散于合适稳定的分散剂引起其大规模剥离，得到层状石墨纳米片的分散液。通过X射线光电子能谱和拉曼光谱检测发现，剥离的石墨烯片未被氧化，而且基面无缺陷[7]。该法不但适用于石墨烯，而且还适用于其他二文材料的制备。