2017上半年二维材料前沿综述精选

来源：材料人网

 

天气渐凉，2017年已过去大半。我们盘点汇总了上半年二维材料领域的重要综述，以此总结该领域最新前沿科研成果。

 

1、Adv. Mater. 综述：二维材料在卤化物钙钛矿基光电器件中的应用

 

图1 钙钛矿材料及不同二维材料的晶体结构

 

清华大学石高全教授（通讯作者）等人以“Two-Dimensional Materials for Halide Perovskite-Based Optoelectronic Devices”为题在Advanced Materials上发表综述，广泛总结了传统二维材料在卤化物钙钛矿基光电器件（光探测器、太阳能电池、发光二极管）中应用的最新进展。这些二维材料包括了石墨烯及其衍生物、单层或多层过渡金属硫化物（TMDs）、石墨炔、金属纳米片等。此外，文中也对二维纳米结构钙钛矿和二维Ruddlesden-Popper钙钛矿在高效和稳定光活性层中的应用作了概述。同时，文章对二维材料的制备、功能和工作机理等方面也作了介绍，最后探讨了二维材料在卤化物钙钛矿基光电器件中应用时所面临的挑战。

 

2、Adv. Mater. 综述：除磷烯外的二维单元素砷烯、锑烯以及铋烯

 

图2 三方晶系的层状砷、锑和铋以及正交晶系的层状砷结构

 

近些年来，二维单元素结构逐渐成为科研人员关注的热点。这些结构包括单层黑磷以及最近的单层砷烯、锑烯和铋烯等。南洋理工大学的Martin Pumera教授（通讯作者）等人在Advanced Materials上发表了一篇题为“2D Monoelemental Arsenene, Antimonene, and Bismuthene: Beyond Black Phosphorus”的综述文章。这篇文章简要概括综述了砷烯等氮族二维材料近期出现的指数性增长研究。文章不仅介绍了相关领域的历史工作，还探讨了块体砷、锑、铋等的性质，以及单层或者多层二维材料的理论和实验研究。

 

3、Chem. Rev. 综述：超薄二维纳米材料的最新进展

 

图3 超薄二维纳米材料

 

石墨烯和类石墨烯材料的研究进一步丰富了二维超薄材料的成员。目前关于二维材料的综述只关注了专门一类的二维材料，如石墨烯或者特定类型的二维材料，但是还没有对二维材料这一热门领域进行系统完全的总结。新加坡南洋理工大学的张华教授（通讯作者）等人以“Recent Advances in Ultrathin Two-Dimensional Nanomaterials”为题在Chemical Reviews上发表综述，详细总结了二维材料的最新研究进展，对二维材料的组成和结构、合成方法、表征及其在不同领域的应用进行了阐述，文章最后对二维材料的发展和存在的问题进行了总结。

 

4、Chem. Soc. Rev. 综述：非石墨烯二维纳米片

 

图4 银基质上硅烯的显微结构

 

二维材料有着原子尺度的厚度，几乎所有的原子都被暴露在表面上，提供了极大且特殊的表面积，由于量子限域效应，其展现出了特殊的物理、化学和电子性能，这使得它们的表面相与大多数同类一样重要。来自中国科学技术大学陈乾旺教授、淮北师范大学孔祥恺副教授、阿克伦大学彭振猛教授（共同通讯）等人在Chemical Society Reviews上发表了一篇名为“Elemental two-dimensional nanosheets beyond graphene”的综述。在综述中，主要总结和讨论了除石墨烯外其他二维材料的最新进展，强调了它们的基本成分和应用，最后还展望了新一代的二维纳米结构。

 

5、Adv. Mater. 综述：二维材料中的原子缺陷：从单原子光谱到光/电子、纳米磁性和催化中的功能性

 

图5 石墨烯中边缘原子的电子性质

 

二维材料研究兴起的同时也伴随着挑战，比如大规模合成样品中存在的缺陷工程。为了缺陷工程开发应用特定的策略，阐明结构缺陷对电子性能的影响是非常有必要的。近日来自浙江大学的张泽院士、金传洪教授、袁俊教授（共同通讯）以“Atomic Defects in Two-Dimensional Materials: From Single-Atom Spectroscopy to Functionalities in Opto-/Electronics, Nanomagnetism, and Catalysis”为题在Advanced Materials上发表综述，主要回顾了二维晶体中两个方面的缺陷：一个是通过原子分辨电子显微镜探测石墨烯和六方氮化硼中出现的点缺陷，分析它们的局部电子性质。另一个将侧重于TMD中的点缺陷及研究其对电子结构、光致发光和电传输性质的影响。

 

6、Adv. Mater. 综述：石墨烯以及其他二维胶体：液晶和宏观纤维

 

图6 基于液晶的宏观纤维合成策略

 

浙江大学的高超教授(通讯作者)课题组在材料顶级期刊Advanced Materials上发表了题为“Graphene and Other 2D Colloids: Liquid Crystals and Macroscopic Fibers”的文章，讨论了二维胶体、液晶与宏观纤维关联领域的研究。作者首先追溯了二维胶体的历史，探讨了在液晶研究背景中二维纳米材料纤维的概念，详细阐述了制备的动机、原理和可能的策略。然后文章重点关注了石墨烯纤维的出现、发展和应用。此外，二维纳米纤维的最新进展以及未来发展趋势也被概括描述。

 

7、Chem. Soc. Rev. 综述：二维材料束缚下的表面化学和催化

 

图7 二维材料下的化学

 

二维材料的特点是面内结合力强而面间作用弱，而研究二维材料界面之间的化学过程是近来新兴的科学领域。中国科学院大连化学物理研究所的包信和院士和傅强研究员（通讯作者）等人在综述期刊Chemical Society Reviews上发表了一篇题目为“Surface chemistry and catalysis confined under two-dimensional materials”的文章。作者首先介绍了原子或者分子在超薄二维材料上的插入过程，说明了二维材料作为纳米容器的概念。然后介绍了二维束缚空间中出现的催化反应、化学气相沉积和电化学反应等过程，说明了二维材料作为纳米反应器的概念。最后，文章总结提出了二维表面的限制效应促使了狭小空间中新型化学的产生。

 

8、Nat. Mater. 综述：混合维度的范德华异质结构

 

图8 典型的2D材料和混合维度范德华异质结构的示意图

 

层状材料中，范德华相互作用不仅仅局限在片层间相互作用。事实上，任何钝化的或者悬垂键自由表面间相互作用均通过范德华力。这也就使得任何层状2D材料能够与许多不同维度的材料整合成为混合维度范德华异质结构，即2D+nD（n=0,1,3）的组合。这也催生了对更广范围范德华异质结构的更深入的研究。美国西北大学的Mark C. Hersam教授（通讯作者）等人对混合维度范德华异质结构的研究进行了整理，特别强调了其在固相器件中的应用。作者首先对混合维度异质结构进行了大体分类以及其所包含材料的种类。然后讨论了电荷输运的物理现象和混合维度界面的波段调整，同时突出强调了相关的化学过程和合成路径。最后，作者讨论了混合维度异质结构在固态器件中的应用，以及未来整合成主流技术的展望。该篇综述在Nature Materials上以“Mixed-dimensional van der Waals heterostructures”为题发表。

 

9、Nat. Mater. 综述：层状二维材料中的激元

 

图9 石墨烯等离子体

 

美国明尼苏达大学的Tony Low（通讯作者）等人综述了大量二维材料中的激元模式以及近期的实验进展。作者还调查了这些激元模式的光学光谱性质以及应用。二维材料激元及其杂化这一新兴研究领域的出现为实现操纵光-物质作用提供了不同且极具潜力的可能。相关的内容以“Polaritons in layered two-dimensional materials”为题发表在顶级期刊Nature Materials上。

 

10、Nat. Rev. Chem. 综述：二维材料的合成及其元素化学

 

图10 能合成二维材料的元素以及其对应的合成方法

 

美国西北大学的Mark C. Hersam和阿贡国家实验室的Nathan P. Guisinger（共同通讯）等人详细总结了二维材料的合成以及化学性质的表征方法，重点讲解了基本二维材料的合成。基于石墨烯这种最典型的二维材料，讲解了与石墨烯接近的第III主族硼的二维材料、第IV主族硅、锗和锡的二维材料以及第V主族磷、铋的二维材料的理论计算的结构、性能预测，随后总结了每一种材料的合成以及表征方法和结果，针对这些二维材料的常温不稳定问题，还提出了改善其常温稳定性和化学性质的方法，最后对二维材料这个领域未来的发展做了展望。以上内容以“Synthesis and chemistry of elemental 2D materials”为题发表在2017年1月25日的Nature Reviews Chemistry上。

 

11、Nat. Rev. Mater. 综述：2D过渡金属硫化物

 

图11 TMDCs的结构和电子特性

 

瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的Andras Kis(通讯作者)等人应邀在Nature Reviews Materials上发表了题为“2D transition metal dichalcogenides”的综述文章。文章主要对近年来2D-TMDCs在结构、电子能带、性质、合成方法、半导体器件应用等方面取得的研究成果进行了系统性的回顾，指出2D-TMDCs研究仍然处于非常基础的阶段，有待科研工作者大量卓有成效的研究成果来推动其实际应用。

 

12、Nano Energy综述：石墨烯之外无支撑原子级薄层二维材料与光催化：机遇与挑战

 

图12 原子级薄层二维材料

 

原子级薄层二维材料以其独特的结构和优良的性能在多种光催化应用上均有潜在的前景。但是对结构与活性之间关系的理解依然是不充分和极具挑战性的。因此，江苏大学夏杰祥副教授 (通讯作者)和新加坡南洋理工大学的刘政教授(通讯作者)等人在Nano Energy上发表了题为“Freestanding atomically-thin two-dimensional materials beyond graphene meeting photocatalysis: Opportunities and challenges”的综述文章。在这篇文章中，作者调研了原子级薄层二维材料的制备方法。通过研究近来发展的无支撑原子级薄层光催化剂，作者还重点思考了从光富集、电荷分离以及界面反应等三个主要因素出发的结构-活性关系。多种活性提高策略以及该种二维材料在光催化领域面临的机遇与挑战也被一一概述。

 

13、Adv. Energy Mater. 综述：二维材料层间距调控与电化学储能

 

图13 二维材料储能应用概述

 

二维材料可以通过化学气相沉积法（CVD），氧化还原插层剥离法，水热模板组装法，超声剥离法等方法制备。插层法制备二维材料不仅可以增大其片层间距，也改变了能带填充状态和费米能级，从而增强导电性、离子传输能力和催化活性。武汉大学付磊教授在Adv. Energy Mater.杂志上发表Opening Two-Dimensional Materials for Energy Conversion and Storage: A Concept的综述文章，主要介绍了二维材料（石墨烯, 过渡金属硫化物（TMDs）,过渡金属碳化物（TMCs）, 黑磷（BP）, 石墨相氮化碳（g-C3N4）等在能量转换与储存器件领域的研究进展，包括太阳能电池，热电器件，电催化材料，超级电容器和二次电池等。