在Novoselov和Geim于2004年通過機械剝離方法成功地制備出石墨烯之后，二維材料的最新進展為延續(xù)摩爾定律提供了可能。為了彌補零帶隙石墨烯的缺點，越來越多的具有一定帶隙的二維材料（如過渡金屬硫族化合物（TMDS，MX2）、黑磷（BP）和InSe材料等）被合成出來，并且在相關(guān)物理性質(zhì)和器件研究方面也取得了重大進展，從而為延續(xù)摩爾定律提供了更大的希望。

1.二維各向異性材料的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)

二維材料因其卓越的物理光電性質(zhì)受到廣泛關(guān)注。近些年來，科研工作者們發(fā)現(xiàn)了二維材料的一種特殊的性質(zhì)——面內(nèi)各項異性。其各向異性主要表現(xiàn)在材料的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)在平面內(nèi)的角度依賴性。

在最近的一篇綜述論文中，來自中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的魏鐘鳴課題組和譚平恒課題組，從材料的結(jié)構(gòu)，拉曼光譜和光電性質(zhì)三個方面，系統(tǒng)的總結(jié)了目前研究前沿的二維各向異性材料。文章中主要對黑砷（B-As）、黑磷（B-P）、砷化鍺（GeAs）、錫化亞鍺（GeSe）、三硫化鈦（TiS3）、硒化錸（ReSe2）和KP15等材料的各向異性進行了詳細的分析。其晶體結(jié)構(gòu)如下圖所示。具有面內(nèi)各向異性的材料均有低對稱性的晶體結(jié)構(gòu)。

圖1. 二維各向異性材料的晶體結(jié)構(gòu)，包括：(a)正交晶系的黑As；(b)正交晶系的黑P；(c)單斜晶系的GeAs；(d)正交晶系的GeSe；(e)三斜晶系的KP15；(f)單斜晶系的TiS3；(g)三斜晶系的ReSe2。

在目前的研究進展中，黑磷的各向異性是最強的。在1550 nm 的偏振光照射下，二向色性比高達8.7。與黑磷有著相同晶體結(jié)構(gòu)的二維材料黑砷也展現(xiàn)出了優(yōu)良的面內(nèi)各向異性性質(zhì)，其電導(dǎo)的各向異性比高達6.7。以黑磷、黑砷為開創(chuàng)性的結(jié)構(gòu)模型，研究者們發(fā)現(xiàn)了越來越多具有各向異性的二維材料。同時人們?nèi)栽诓粩嗵剿鞲€(wěn)定、各向異性更強的二維材料。各向異性材料在光探測和新概念器件上有很大的應(yīng)用潛能。相信在科研人員的共同努力下，二維各向異性材料終將會應(yīng)用到我們的生活中，使生活更加豐富多彩。

2.原子級的薄α-In2Se3：一種新興的二維室溫鐵電半導(dǎo)體

鐵電體從發(fā)現(xiàn)至今已有近百年研究歷史，由于其獨特的物理性質(zhì)與豐富的器件應(yīng)用始終吸引著眾多研究者的廣泛關(guān)注。然而，由于傳統(tǒng)鐵電材料的臨界尺寸效應(yīng)，二維鐵電物性的研究遲滯不前，微納鐵電器件的發(fā)展也受到了極大的制約。近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)，在二維范德華層狀材料中，可控的鐵電極化能穩(wěn)定存在于室溫大氣環(huán)境下，從而能夠在二維極限厚度上實現(xiàn)二維鐵電性，為超薄鐵電器件的制備與研究提供了材料基礎(chǔ)。

中國科學(xué)院強耦合量子物理重點實驗室曾華凌教授綜述了近年來二維鐵電物性研究的相關(guān)進展，重點介紹了近期二維α-In2Se3中室溫鐵電性的理論預(yù)測、實驗驗證及器件演示。室溫下穩(wěn)定存在的二維α-In2Se3鐵電體，有希望突破傳統(tǒng)鐵電材料所面臨的尺寸瓶頸，有助于進一步在二維極限下研究鐵電極化、鐵電疇結(jié)構(gòu)以及進而設(shè)計微納鐵電器件。此外，α-In2Se3面內(nèi)-面外方向鐵電極化鎖定的獨特性質(zhì)，也為利用面內(nèi)方向電場進行面外方向電極化的正交調(diào)控提供了機會。

圖. 基于少層α-In2Se3的二維非易失鐵電存儲器

3.聚合物輔助沉積的大尺寸二維材料的合成、性能及應(yīng)用

自從2004年成功剝離了單層石墨烯，揭示了二維材料具有優(yōu)良的物理性能。這些新奇的性能激勵了許多基礎(chǔ)研究和眾多應(yīng)用領(lǐng)域，諸如：電子學(xué)，光子學(xué)，壓電學(xué)和自旋電子學(xué)。與傳統(tǒng)的實驗方法相比，聚合物輔助沉積法（PAD）具有低成本，大面積，易摻雜和保形涂層等優(yōu)點。同時聚合物輔助沉積法制備出來的材料，已經(jīng)成功應(yīng)用于柔性透明電路，光電探測器和基于褶皺的器件。

西安交通大學(xué)理學(xué)院張磊教授和清華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院劉鍇教授綜述了近年來在二維材料合成中PAD的研究進展。首先，介紹了PAD的原理和工藝步驟。其次，介紹了二維材料包括石墨烯、MoS2和MoS2/玻璃狀石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)等以證明PAD的重要性，并為讀者提供評估該方法的機會。最后，討論了該領(lǐng)域未來的發(fā)展前景和面臨的挑戰(zhàn)。本文提出了一種制備二維層狀材料的新技術(shù)，并對二維層狀材料的新應(yīng)用具有一定的啟發(fā)意義。

圖2. 聚合物輔助沉積方法生長薄膜的應(yīng)用。

4.石墨烯上生長薄層抗氧化晶體硅納米結(jié)構(gòu)

North Carolina大學(xué)電氣與計算機工程系張勇教授報道了石墨烯基板上Si納米結(jié)構(gòu)薄膜以及納米顆粒的生長。通過觀察在520 cm-1附近波長單晶Si拉曼模式，結(jié)合在周圍環(huán)境條件下有序表面結(jié)構(gòu)的STM圖像以及其與石墨形成的肖特基結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)生長出的Si納米結(jié)構(gòu)為單晶結(jié)構(gòu)，且這種結(jié)構(gòu)在空氣中穩(wěn)定性好并可以抗氧化。超薄硅區(qū)域表現(xiàn)出了類似硅烯的行為特征，包括在550 cm-1附近的拉曼模式、STM圖像中具有與石墨烯或更厚的Si明顯不同晶格間距的三角形晶格結(jié)構(gòu)、金屬電導(dǎo)率比石墨高出500倍等。本文提出了一種自下而上在大規(guī)模石墨烯襯底上生長Si納米結(jié)構(gòu)陣列的方法，采用這種方法制成的襯底可用于生產(chǎn)納米級Si電子器件。

圖1. 石墨襯底上外延Si的SEM圖像。(a)和(b)為S1上的兩個區(qū)域；(c)和(d)為S2上的兩個區(qū)域。

5.用Dirac-like方程和Schr?dinger方程計算的石墨烯納米帶隧道場效應(yīng)晶體管中隧道電流的比較

印度尼西亞Pendidikan大學(xué)電子材料研究部物理系Endi Suhendi教授對石墨烯納米帶隧道場效應(yīng)晶體管（GNR-TFET）中的隧穿電流進行了量子力學(xué)建模。基于Dirac-like方程和Schr?dinger方程的計算，比較了GNR-TFET中的隧道電流。本文采用數(shù)值方法即轉(zhuǎn)移矩陣法（TMM）計算電子透射率，并使用Launder公式計算隧道電流。結(jié)果表明，相同的參數(shù)下使用兩個方程計算的隧道電流即使數(shù)值不同，但仍具有相似的特征。文中應(yīng)用Dirac-like方程計算的隧道電流值低于使用Schr?dinger方程計算的隧道電流。

圖3. (a)Schr?dinger和Dirac-like方程計算得不同氧化層厚度下的隧道電流隨漏極電壓的變化曲線；(b)Dirac-like方程計算得不同氧化層厚度下隧道電流隨漏極電壓的變化曲線。

6.雙層銻烯-金屬界面

場效應(yīng)晶體管作為現(xiàn)代大規(guī)模集成電路中非常重要的電子元件，在集成電路存儲器和傳感器等現(xiàn)代電子應(yīng)用中有非常廣泛的應(yīng)用。日新月異的電子產(chǎn)品行業(yè)發(fā)展也迫使行業(yè)對電路性能、晶體管的集成尺寸提出了更高的要求。二維半導(dǎo)體作為一種非常可靠的溝道材料選擇，其超薄的厚度能夠規(guī)避簡單縮小器件尺寸帶來的短溝道效應(yīng)。除此之外，二維半導(dǎo)體的表面平整，沒有缺陷態(tài)或懸掛鍵，可以抑制粗糙表面帶來的散射并且提高載流子遷移率。基此二維半導(dǎo)體材料作為晶體管溝道的輸運性質(zhì)就變得非常重要。由于缺少可行的手段，實驗上通常將二維半導(dǎo)體與金屬接觸以達到摻雜狀態(tài)。然而，兩者接觸面處通常會形成肖特基勢壘，阻礙載流子的移動。

碲烯是一種具有高載流子遷移率、高開關(guān)比和優(yōu)異的空氣穩(wěn)定性的二維半導(dǎo)體材料，北京大學(xué)物理學(xué)院呂勁教授通過第一性原理模擬計算對雙層碲烯-金屬電極的界面性質(zhì)做出有效的計算，并為實驗上基于雙層碲烯晶體管的金屬電極選擇提供參考。

圖7. (a)基于功函數(shù)近似(Φe/hL,W)和量子輸運模擬(Φe/hL,T)方法得到的BL碲烯場效應(yīng)晶體管的電子和空穴SBH的比較；(b)橫向SBH與電極材料功函數(shù)的關(guān)系圖。藍線和粉線分別表示用于功函數(shù)近似和量子輸運模擬得電子SBH的擬合線。粉色透明橢圓表示在量子輸運計算中可以克服體金屬電極電子SBH的最小橢圓面積；(c)BL碲烯晶體管中費米能級釘扎（FLP）示意圖。

7.原子級薄層AuSe的電子能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)：第一原理計算

通過分離范德華層狀晶體制備新型二維單層或多層材料，二維新材料家族在近十年來被不斷擴大。它們擁有許多常規(guī)塊體材料所不具有的新奇性質(zhì)，這主要得益于納米尺度所特有的量子限域效應(yīng)及表面效應(yīng)。例如具有高載流子遷移率的二維半導(dǎo)體黑磷，非常有望作為新一代FET溝道材料以解決目前低于10 nm制程的集成電路中明顯的短溝道效應(yīng)。又比如過渡族金屬硫化合物（TMDCs），自從具有高開關(guān)比的二維MoS2被報道后它們就作為一個大家族吸引著廣大研究者的研究興趣。然而這些材料都很不湊巧地存在一些致命的缺陷——黑磷在空氣中會迅速分解，而MoS2的載流子遷移率過低。

因此，人們依然處于不斷搜尋的進程中，以期獲得具有合適性能的新型二維材料。在此過程中，過渡族金屬硫化物的金屬元素與硫元素計量比被發(fā)現(xiàn)不必拘束于常規(guī)的1:2的形式，同時過渡族金屬也不僅限于常見的Mo與W，這將成為擴展這一家族的又一新途徑。沿著這一思路出發(fā)，南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院曾海波教授發(fā)現(xiàn)了具有范德華層狀結(jié)構(gòu)的貴金屬硒化物AuSe，它的二維形式是具有獨特幾何結(jié)構(gòu)的單層晶體。計算結(jié)果表明這種新型二維材料是一種禁帶寬度為2.0 eV的間接帶隙半導(dǎo)體，具有良好的動力及熱力學(xué)穩(wěn)定性。這種新材料的吸收光譜仿真結(jié)果表明它對深紫外波段的入射光具有高吸收率，意味著這種新型二維半導(dǎo)體對深紫外光具有較高的響應(yīng)度。研究結(jié)果預(yù)示二維AuSe有潛力被應(yīng)用在日盲型光電探測相關(guān)領(lǐng)域，也為對它進一步的應(yīng)用發(fā)掘提供了理論依據(jù)。

圖1. (a)2×2×1超大單元的體AuSe結(jié)構(gòu)；(b)俯視圖下二維AuSe結(jié)構(gòu)；(c)側(cè)視圖下二維AuSe結(jié)構(gòu)；(d)單層AuSe和黑P的解理能。

8.Mo1-xWxSe2合金的襯底和層間耦合效應(yīng)

二維（2D）過渡金屬硫?qū)倩锖辖鸩牧系膸犊赏ㄟ^調(diào)節(jié)成分控制，使其在光電探測器方面有著潛在的應(yīng)用。帶隙工程的研究對于2D材料在器件中的應(yīng)用非常重要。

華東師范大學(xué)電子工程系多維信息處理上海重點實驗室吳幸教授利用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法在云母、藍寶石和SiO2/Si襯底上生長了Mo1-xWxSe2合金，首次成功的利用CVD方法在云母襯底上合成Mo1-xWxSe2合金。利用光致發(fā)光（PL）光譜儀技術(shù)研究襯底和層間耦合效應(yīng)對所制備的Mo1-xWxSe2合金光學(xué)帶隙的影響，發(fā)現(xiàn)所使用的襯底對所制備的Mo1-xWxSe2的光學(xué)帶隙影響較小，層間耦合效應(yīng)對所制備的Mo1-xWxSe2光學(xué)帶隙的影響大于襯底效應(yīng)。這些研究結(jié)果為今后研究二維合金材料的生長和物理性質(zhì)提供了新的途徑。

圖Mo1-xWxSe2合金在SiO2/Si、云母和藍寶石襯底上的PL光譜

9.混合納米結(jié)構(gòu)中磁偶極子共振對石墨烯的寬帶寬吸收

石墨烯由于具有優(yōu)越的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)特性，因此其自被發(fā)現(xiàn)后一直是科研的研究熱點。提高石墨烯吸收效率是研究熱點之一，由于石墨烯僅有一個原子層的厚度，所以其在可見光和近紅外波段吸收效率僅有2.3%，這嚴(yán)重限制其在太陽能電池和光電探測器上的應(yīng)用。為此許多科研工作者提出不同的方法以提高石墨烯的吸收效率，但是可以發(fā)現(xiàn)他們僅僅在很窄的波段內(nèi)提高石墨烯的吸收效率，并沒有實現(xiàn)石墨烯寬波段高吸收效率。

衢州理工學(xué)院信息工程學(xué)院江孝偉教授提出利用混合納米結(jié)構(gòu)實現(xiàn)在提高石墨烯吸收效率的同時具有寬吸收帶寬，具體結(jié)構(gòu)如下圖所示，石墨烯夾雜在Ag光柵和二氧化硅之間。在該混合納米結(jié)構(gòu)中，三個光柵條具有不同的寬度，因此三個不同的光柵條可以激發(fā)出不同的磁激元共振，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整三個光柵條之間的距離，可以使三個不同的磁激元共振疊加，從而實現(xiàn)石墨烯的寬吸收帶寬，經(jīng)過模擬計算可得，該混合納米結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)311 nm的吸收帶寬（吸收效率大于30%）。基于本文提出的混合納米結(jié)構(gòu)，可以進一步的加快石墨烯在太陽能電池上的應(yīng)用。

圖1. 文中提出的可以擴大石墨烯吸收帶寬的混合納米結(jié)構(gòu)。