单元素类石墨烯二维拓扑材料的研究进展

除了石墨烯外,很多主族元素也可以形成类似石墨烯的稳定单层结构,并且具有丰富的物理化学性质及广阔的应用前景.其中在物理学中最引人注目的是理论预言在这些材料中预言存在的二维拓扑物性.单元素类石墨烯二维材料已经经历了十余年的研究进程,目前已经理论发现和实验制备出了若干新型二维拓扑材料,成为当前凝聚态物理和新材料领域重要研究方向之一.在这篇评述中,我们将详细介绍这一领域的研究历程、研究思路,以及最新研究进展,并对其进一步的研究方向做出展望.     

自旋轨道耦合视角下的二维狄拉克材料

石墨烯的发现引发了科学界探索新奇二维狄拉克材料的热潮。这类具有狄拉克线性能带色散特征的二维材料被认为是发展新物理,实现超高速、低能耗新型纳米器件的理想平台。文章首先回顾二维狄拉克材料研究的源起,然后从自旋轨道耦合作用的视角重点介绍四类代表性的二维狄拉克材料的研究进展,最后对相关领域进行总结和展望。     

二维量子片及其光学研究进展

以石墨烯为代表的二维材料因其独特的结构和优异性能而受到广泛关注。随着二维材料在无限小的方向不断发展,二维(材料)量子片逐渐引起人们极大的兴趣。二维量子片不仅保留了二维材料的本征特性,而且表现出量子限域和突出的边缘效应,为二维材料的潜在应用带来全新机遇。本文详细介绍了二维量子片的基本概念,制备现状与光学性能的研究进展,特别强调了二维量子片本征、普适和规模制备的实现及其重大意义。此外,重点关注了二维量子片的光致发光特性以及在非线性光学、固态发光器件等领域的应用。最后,分析了二维量子片的发展趋势以及面临的主要挑战。     

悬浮二维晶体材料反射光谱和光致发光光谱的周期性振荡现象

研究了在二氧化硅/硅衬底上制备的悬浮石墨烯以及二硫化钼的反射光谱以及悬浮二硫化钼的光致发光光谱.研究发现:悬浮多层石墨烯的反射光谱表现出明显的振荡现象,并且该振荡具有一定的周期性;振荡周期的大小不依赖于悬浮多层石墨烯的层数,而是随着衬底上沉孔深度(空气层厚度)的增加而减小.利用多重光学干涉模型可以解释这种振荡现象以及振荡周期随沉孔深度改变的变化趋势.该模型计算结果表明,只有当沉孔深度达到微米量级时这种振荡现象才会显著出现;并且可由振荡周期定量地确定出沉孔深度.对于悬浮的二硫化钼样品,其反射光谱和光致发光光谱也出现了类似的振荡现象.这表明这种振荡现象是在各种衬底上悬浮二维材料反射光谱和光致发光光谱的一种普遍性结果,也预示悬浮二维材料器件的电致发光光谱也会出现类似的振荡现象,对悬浮二维晶体材料的物理性质和器件性能研究具有一定的参考价值.     

二维材料解理技术新进展及展望

自从2004年首次制备出石墨烯以来,机械解理技术被广泛用于制备过渡金属二硫族化合物、黑磷等各种二维材料.在多种二维材料制备技术中,机械解理技术具有制备方法简单、普适性好等优点,最重要的是解理得到的晶体质量高,是研究很多新奇物性的理想选择.本文介绍了机械解理技术的产生背景,总结了常规机械解理技术在二维材料研究过程中的瓶颈.为了解决常规机械解理技术制备效率低、样品尺寸小的问题,一些新型机械解理技术近年来不断发展起来,如氧气等离子体辅助法和金膜辅助法等.作为自上而下的二维材料制备方法,新的解理技术在未来二维材料基础研究和应用中仍然充满生机.未来解理技术将朝更大尺寸,更高质量方向发展.     

新型机械解理方法在二维材料研究中的应用

自从石墨烯被发现以来，机械解理技术已经成为制备高质量二维材料的重要方法之一，在二维材料本征物性的研究方面展现出了独特的优势.然而传统机械解理方法存在明显的不足，如制备效率低、样品尺寸小等，阻碍了二维材料领域的研究进展.近些年我们在机械解理技术方面取得了一系列的突破，独立发展了一套具有普适性的新型机械解理方法.这种新型机械解理方法的核心在于通过改变解理过程中的多个参数，增强层状材料与基底之间的范德瓦耳斯相互作用，从而提高单层样品的产率和面积.本文着重以石墨烯为例，介绍了该技术的过程和机理.相比于传统机械解理方法，石墨烯的尺寸从微米量级提高到毫米量级，面积提高了十万倍以上，产率大于95%，同时石墨烯依然保持着非常高的质量.这种新型机械解理方法具有良好的普适性，目前已经在包括MoS₂，WSe₂，MoTe₂，Bi2212等几十种材料体系中得到了毫米量级以上的高质量单层样品.更重要的是，在解理过程中，通过调控不同的参数，可以在层状材料中实现一些特殊结构的制备，如气泡、褶皱结构等，为研究这些特殊材料体系提供了重要的物质保障.未来机械解理技术还有很多值得深入研究的科学问题，该技术的突破将会极大地推动二维材料领域的研究进展.     

太赫兹表面极化激元

作为束缚于表面或界面的电磁波与极性元激发的耦合模量子,表面极化激元是克服衍射极限的核心物理.在紫外、可见以及近红外波段,表面等离子极化激元展现出了亚波长特性,具有高分辨成像等应用,并发展成为"表面等离子极化激元亚波长光学"学科;在中红外波段,表面声子极化激元发挥着同样的作用.太赫兹波段曾是人类认识的空白区域,近三十年来得以高速发展,其战略意义重大.具有克服衍射极限能力的太赫兹表面极化激元同样是小型化与集成化太赫兹器件,以及太赫兹超高分辨成像的重要物理基础.近几年来,对以石墨烯为代表的二维材料的研究突飞猛进,诞生了"石墨烯表面等离子极化激元亚波长光学"这门学科,并贡献于太赫兹领域.本文对可在太赫兹波段工作的人工超构材料、掺杂半导体、二维电子气、二维材料、拓扑绝缘体等结构材料的表面极化激元进行了较为全面的总结与介绍,为研制克服衍射极限的太赫兹集成光子学器件提供可资借鉴的物理基础.     

铪烯

正国际上首次报道了基于d电子过渡金属元素的二维蜂窝状晶体材料。这种由铪元素构成的二维蜂窝状结构比石墨烯具有更强的自旋轨道耦合,为研究二维体系中新的量子现象和电子行为提供了新的平台。铪也是当今半导体科学和技术中最重要的元素之一,制备出铪的类石墨烯结构对未来电子学也极其重要。该工作发表在Nano Letters 13,4671(2013),被Nature China和Nature Nanotechnology作为研究亮点进行报道。     

超高真空构筑新型二维材料及其异质结构

由于量子受限效应,二维材料表现出很多三维材料所不具备的优异电学、光学、热学以及力学性能,为研究人员所关注.材料的优异物性离不开高质量材料的制备,超高真空环境可以减少杂质分子的污染与影响,提高二维材料的质量与性能.本文介绍基于超高真空环境的新型二维原子晶体材料的原位制备方法,包括利用分子束外延构筑新型二维材料、利用石墨烯插层构筑新型二维原子晶体材料异质结构以及利用扫描探针原位操纵构筑二维材料异质结构三大类.文章回顾利用这三类方法构筑的二维材料及其物理化学性质,比较三种方法各自的优势与局限性,对未来二维材料制备提供一定的指引.     

二维材料在生物传感器中的应用

自石墨烯发现以来,大量二维层状材料被相继发现.二维材料中载流子被限制在界面1 nm空间内,使其对化学掺杂非常敏感,有望引起生物传感领域的技术变革.生物传感过程无论基于何种传感机制,都包含了检测物识别和信号转化过程.检测物识别通常依靠传感界面的生物探针来完成,信号转换依靠二维材料来实现信号输出.在传感界面处对生物探针和二维材料进行原子级精准构筑,则可精确调控传感过程中的物理化学过程,优化器件的各项指标.本文综述了二维生物传感界面构筑领域的研究进展,重点介绍了目前几种常见的二维生物传感器的传感机制和不同类型的生物探针精准构筑方法,探讨了未来生物传感界面研究的发展方向.