2020年最热门的新材料，没有之一！

当今最热门的材料是谁？钙钛矿？MOF？如果你看一下最近一年以来Science、Nature的研究论文，就会发现，谁都比不上二维材料。

二维材料是一个很特别的材料体系，其在催化、储能、净水、气体分离、光电器件、凝聚态物理、生物医疗、材料生长等研究方向吸引了一大批研究者。早期的文章以湿化学制备居多，目前逐渐过渡到高质量/大规模制备、实际应用探索、新颖性质表征、新奇物理现象等重点方向。

得益于魔角石墨烯的异军突起，以石墨烯和二维范德华异质结为代表的二维材料近年来可谓风光无限。除了石墨烯和范德华异质结之外，各种新型二维材料的研究也层出不穷，不断刷新我们的认知。2020年以来，仅Science/Nature两大杂志上，就有超过18篇研究论文是关于二维材料。其中，关于石墨烯的6篇论文，我们之前已经系统总结过。今天，我们主要总结一下石墨烯之外的二维材料的10项最新研究，希望相关研究人员能把握最新趋势，了解其热点、重点、难点。

1. Science：撕出大尺寸单晶二维材料

Fang Liu et al,Disassembling 2D van der Waals crystals into macroscopic monolayers and reassemblinginto artificial lattices, Science, 2020.

DOI:10.1126/science.aba1416

2. Science：本征磁性拓扑绝缘体MnBi₂Te₄中的量子异常霍尔效应

在磁性拓扑绝缘体中，非平整带拓扑结构与磁阶相的结合可以产生奇特的物质状态，例如量子异常霍尔（QAH）绝缘体和轴突绝缘体。复旦大学的张远波, Jing Wang和中国科学技术大学的陈仙辉院士团队研究了MnBi₂Te₄薄片中的量子传输，该薄片具有本征磁序。

在该层状范德华晶体中，铁磁层彼此反平行耦合；但是，当样品具有奇数个样品层时，原子上薄的MnBi₂Te₄会变成铁磁性。并在1.4 K的五层七层样品中观察到零场QAH效应，并且外部磁场通过铁磁性对齐所有层进一步将量化温度提高到6.5 K。发现的MnBi₂Te₄是进一步探索各种拓扑现象的理想场所。

Yujun Deng etal, Quantum anomalous Hall effect in intrinsic magnetic topological insulatorMnBi₂Te₄, Science, 2020.

DOI:10.1126/science.aax8156.

https://science.sciencemag.org/content/367/6480/895

3. Nature：首次实现二维冰的边界和生长结构的高分辨成像

经过了近一百年的研究和探索，迄今人们已经发现了冰的18种晶相（三维冰相）。然而，冰在二维极限下是否能独立稳定存在？这个问题有很大的争议。有鉴于此，北京大学江颖，徐莉梅，王恩哥，美国内布拉斯加大学林肯分校曾晓成等通过精确控制温度和水压，成功在疏水的金衬底（Au(111)）上生长出了一种单晶二维冰结构，这种二维冰可以完全铺满衬底。

作者进一步利用基于一氧化碳针尖修饰的非侵扰式原子力显微镜成像技术，借助高阶静电力，实现了二维冰的亚分子级分辨成像，并结合理论计算确定了其原子结构。结果表明，这种二维冰由两层六角冰无旋转堆垛而成，两层之间靠氢键连接，每个水分子与面内水分子形成三个氢键，与面外水分子形成一个氢键，因此所有的氢键都被饱和，结构非常稳定，与衬底相互作用很弱，是一种本征的二维冰结构。

Runze Ma,Duanyun Cao, Chongqin Zhu, Ye Tian, Xiao Cheng Zeng*, Li-Mei Xu*, En-Ge Wang,*Ying Jiang*, et al. Atomic imaging of the edge structure and growth of atwo-dimensional hexagonal ice.Nature, 2019

DOI:10.1038/s41586-019-1853-4

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1853-4

4. Nature: 铁电薄膜中迷宫结构域图案的逆转变

相分离是一个协同过程，其动力学为介观尺度上的畴结构的有序形态形成提供了基础。高度简并的冻结状态系统可能会出现罕见且违反直觉的逆对称破坏现象。阿肯色大学Y. Nahas团队研究发现，在亚临界淬火后，Pb(Zr_0.4Ti_0.6)O₃超薄膜中铁电畴的非平衡自组装会导致形成迷宫或迷宫式图案，并具有曲折的条纹畴。此外，随着温度的升高，这种高度简并的迷宫相经历了逆转变，由此在高温下顺电开始之前，其转变为不太对称的平行条纹畴结构。研究发现，该相序可归因于畴壁的熵增加，而畴域的拉直和粗化主要由拓扑缺陷的松弛和扩散驱动。BiFeO₃中逆偶极转变的计算模型和实验观察表明，该现象在铁电氧化物中具有普遍性。通过在铁电薄膜中实现根本上的新设计原理和拓扑上增强的功能，可以在当前领域和基于域壁的技术之外使用许多自构图状态及其所体现的各种拓扑缺陷。

Inversetransition of labyrinthine domain patterns in ferroelectric thin films，Nature，2020

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1845-4

5. Nature：规模化制备超稳定的TMC二维材料

二维材料的实际应用，和许多其他新兴材料一样，依然受到材料规模化的制约。将单层TMC集成到功能器件中长期面临的一个关键问题在于：在环境条件下，金属相单层TMC稳定性往往不超过一个月。北京航空航天大学的杨树斌研究团队联合美国莱斯大学PulickelM. Ajayan等人通过掺杂策略故意引入杂质，发展了一种生产空气中超级稳定的二维材料的新方法，所制得的单层TMC在环境条件下可以稳定存在一年以上。这种方法可以直接将非范德华固体材料转变为单层TMC，极具普适性，且操作简便，成本低廉，非常适合工业生产，将二维材料的应用极大地推向了市场商业化。

Zhiguo Du et al. Conversion of non-vander Waalssolids to 2Dtransition-metal chalcogenides. Nature 2020, 577, 492–496.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1904-x2

6.Nature：单层非晶态碳材料的合成及性能研究

晶态材料和非晶态材料到底有什么区别？早在1932年，Zachariasen提出Z-CRN模型，认为无定形材料与其晶体类似物包含相同的键合单元，但这些单元形成连续的随机网络（Z-CRN）而不是周期性结构。而另一种模型，竞争模型认为，无定形材料与其晶体类似物的内部原子结构完全不用，非晶材料中也存在晶界分隔的纳米级晶粒。过去数十年来，Z-CRN模型占据主流，但是两种模型的争议并未解决。这主要是因为，非晶态材料的原子尺度表征，长期以来就是一个棘手的问题。有鉴于此，新加坡国立大学Barbaros Özyilmaz教授团队及其合作者，首次在原子尺度解析了单层无定形二维碳材料的结构，发现其更支持竞争模型。

研究人员通过激光辅助低温CVD策略制备出厘米级自支撑的单层非晶态二维碳，发现其拓扑结构与石墨烯并不一样。通过拉曼光谱、透射电镜等精确表征，研究人员发现材料内部完全没有长程周期性，并观察到键长、键角尺寸不一，并伴随大量五元环、六元环、七元环、八元环等等，环分布并不遵循Z-CRN规则，更倾向于竞争模型。通过理论计算，研究人员发现这种非晶态单层碳材料并不导电，电阻率接近CVD生长得到的BN纳米材料。而且，这种材料极具稳定性，并未发生断裂，将在磁性记录器件和柔性电子设备等领域具有潜在应用。

Chee-TatToh et al. Synthesis and properties offree-standing monolayer amorphous carbon.Nature 2020, 577, 199–203.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1871-2

7. Nature：把二维范德华异质结合成到底！

迄今为止，大多数范德华异质结材料都是通过机械剥离或者人工堆叠方法实现。这些方法适用于基础研究过程中的概念验证，但并不适用于对于实际应用体系的发展。和所有纳米材料一样，要想全面探索范德华异质结的潜力，首先就必须实现范德华异质结的规模化精确控制合成，这是该领域长期以来，也是今后很长一段时间都会面临的关键挑战之一。有鉴于此，湖南大学段曦东教授和加州大学洛杉矶分校段镶锋教授等人合作，报道了二维范德华异质结的普适性可控精确合成，并构建了高电流密度的晶体二极管，为实用化应用开辟道路。

作者首先在单层或双层s-TMD（例如WSe₂，WS₂，MoS₂）上进行图案化，制造出具有周期性阵列的成核位点。在该阵列上，m-TMD可以选择性成核并生长以形成周期性m-TMD / s-TMD范德华异质结。这种策略适用于各种不同材料，不限于特定化学组成或晶格结构。可用于处理s-TMD和m-TMD之间的二维vdWH阵列，不受晶格差异的影响。作为演示，研究人员利用原子精确的，接近理想的范德华界面制造出各种2D范德华异质结，包括VSe₂/WSe₂，NiTe₂ / WSe₂，CoTe₂/WSe₂，NbTe₂ / WSe₂，VS₂ / WSe₂，VSe₂/MoS₂和VSe₂ / WS₂。

Jia Li et al. Generalsynthesis of two-dimensionalvan der Waals heterostructure arrays. Nature 2020.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2098-y

8. Nature：WSe₂/WS₂莫尔超晶格的光学观测

过渡金属二硫化物莫尔条纹异质结构具有相当强的光-物质相互作用，以及较大的自旋-轨道耦合，为研究相关的量子现象提供了一种全新的模型系统。问题在于，用传统手段难以在实验上直接观测到该系统中相关绝缘状态。有鉴于此，加州大学伯克利分校FengWang团队报道了一种光学观测二维范德华异质结WSe₂/WS₂莫尔超晶格的新策略。

研究人员使用一种超级灵敏的光学检测技术，在每个超晶格位的一个孔处发现一个Mott绝缘态，甚至能在每个超晶格的1/3填充和2/3填充处发现绝缘相，研究人员将这归因于下层晶格形成的广义Wigner结晶。在Mott绝缘态下观测到微秒级超长自旋弛豫寿命，比电荷激发的寿命长几个数量级。这项研究表明，除了石墨烯材料之外的莫尔超晶格，也可以非常有效地探索相关物理现象。

mma C. Regan etal. Mottand generalized Wigner crystal states in WSe₂/WS₂ moirésuperlattices. Nature, 2020.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2092-4

9. Nature：二维WSe₂/WS₂莫尔超晶格的哈伯模型的物理仿真

20世纪60年代，物理学家John Hubbard提出一种简单的理论模型。哈伯模型可以在二维或三维物理上充当量子模拟器，以解决一些至关重要的非线性问题，揭示具有强相互作用的量子粒子的物理原理。有鉴于此，康奈尔大学KinFai Mak和Jie Shan等人报道了基于二维WSe₂/WS₂莫尔超晶格对哈伯模型的物理仿真，建立了一个基于莫尔超晶格的新型研究平台。

研究人员以双层WSe₂/WS₂莫尔超晶格为研究对象，通过测量其光学响应对平面外磁场和门调谐载流子密度的依赖性，来探测系统的电荷和磁性。在莫尔超晶格带第一个孔的半填充处，观察到具有反铁磁Curie–Weiss现象的Mott绝缘状态，与强相互作用状态下的Hubbard模型相符合。在半填充以上，填充系数接近0.6时，可能存在从反铁磁状态到弱铁磁状态的量子相变。

Yanhao Tang etal. Simulationof Hubbard model physics in WSe₂/WS₂ moiré superlattices.Nature, 2020.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2085-3

10.Nature：二维材料让超快速图像识别传感器成为可能！

无论是在自动驾驶，还是人脸识别等新兴科技领域，超快速的视觉图像传感技术已经成为智能系统的关键组成部分。其问题在于，将光学图像超快速转换为电信号域仍然是本领域的瓶颈问题之一。通过模仿人眼结构的人工神经网络技术，在增强图像对比度，降噪或数据采集等方面具有巨大潜力，有望在该领域取得突破。有鉴于此，奥地利维也纳科技大学Lukas Mennel和Thomas Mueller等人报道了基于二维材料实现超快速图像识别的最新成果。香港理工大学Yang Chai教授应邀在Nature发文对此作出点评，并进行了展望。

研究人员证明了图像传感器本身可以构成一个人工神经网络，同时感测和处理光学图像而不会产生延迟。基于WSe₂二维半导体作为光敏材料，构建了一个可重构的光电二极管阵列，表现出强的光-物质相互作用和出色的光电特性。实现了有监督的学习和无监督的学习，并训练传感器对以光学方式投射到芯片上的图像进行分类和编码，处理能力为每秒2000万个bin。

1.Lukas Mennelet al. Ultrafast machine vision with 2D material neural networkimage sensors.Nature 2002.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2038-x

2. Yang Chai et al. In-sensor computing for machinevision. Nature 2002.

https://www.nature.com/articles/d41586-020-00592-6

11. Nature：生长晶圆级单层六方氮化硼单晶新策略

在集成电路中，超薄二维半导体材料为扩展摩尔定律提供了巨大的潜力。其中一个关键问题在于，如何避免相邻的电介质之间形成电荷散射和陷阱位点。六方氮化硼（hBN）的绝缘范德华层，则提供了出色的界面电介质，有效地减少了电荷的散射。单晶六方氮化硼一般通过在熔融金表面或块状铜箔上生长。然而，熔融金的高成本，交叉污染以及过程控制和可扩展性的潜在问题，不受企业欢迎。铜箔可能适用于卷对卷工艺，但不太可能与晶圆上的先进微电子制造兼容。因此，如何可靠的在晶圆上直接生长单晶hBN，是半导体领域的关键技术之一。有鉴于此，Lain-Jong Li、Wen-Hao Chang以及Boris I.Yakobson等人报道了一种在Cu（111）单晶表面生长晶圆级单层六方氮化硼单晶的新策略，为二维材料在电子器件领域的应用奠定了基础。

研究人员以两英寸c面蓝宝石晶片为衬底，在Cu（111）单晶薄膜通过外延生长，成功制备出单晶hBN单层。第一性原理计算表明，通过hBN侧向对接Cu（111）步骤可增强外延生长，从而确保hBN单层的单向性。将单晶hBN作为MoS₂和HfO₂之间的界面层，有效提高了晶体管的电学性能。

Tse-AnChen etal. Wafer-scale single-crystal hexagonal boron nitride monolayers on Cu(111).Nature 2020.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2009-2

信息来源：纳米人