多個類型的平面材料堆砌在一起，可能展現(xiàn)每個的最佳性能。圖片來源：H. Terrones etal
物理學(xué)家習(xí)慣使用他們所能想到的最好的詞語來形容石墨烯。這絲薄的單原子厚度的碳是靈活、透明的，比鋼強(qiáng)、比銅導(dǎo)電好，雖然非常薄，但它實(shí)際上是二維材料。在2004年被分離出來后不久，石墨烯就成為全世界研究人員癡迷的對象。
不過，對Andras Kis而言并非如此。Kis表示，與石墨烯一樣不可思議的是，“我覺得必須超越碳”。因此，在2008年，當(dāng)他有機(jī)會在瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）組建自己的納米電子學(xué)研究團(tuán)隊時，Kis專注于研究一種超平材料。
這些材料有一個“笨拙”的名字：過渡金屬硫化物（TMDC），但它們具有相當(dāng)簡單的二維結(jié)構(gòu)。鉬或鎢等過渡金屬原子的單排結(jié)構(gòu)，夾在同樣薄的硫元素層之間，例如硫和硒——在元素周期表中，它們均位于氧元素的下方。Kis表示，TMDC幾乎與石墨烯同樣薄、透明和靈活。“但它們莫名奇妙地就得到一個沒有趣的名聲，我認(rèn)為它們應(yīng)該有第二次機(jī)會。”
他是對的。很快，研究人員發(fā)現(xiàn)，不同基礎(chǔ)成分搭配制成的TMDC具有大范圍的電子和光學(xué)特性。例如，與石墨烯不同，許多TMDC是半導(dǎo)體，這意味著它們有潛力被制成分子級別的數(shù)字處理器，并比硅更加節(jié)能。
在幾年中，全世界大量實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)加入了追尋這種二維材料的行列。“最初是一種，然后是兩種、三種，突然間，變成了二維材料王國。”Kis說。從2008年的零星出版，到現(xiàn)在每天6篇出版物問世，二維TMDC不斷發(fā)展。物理學(xué)家認(rèn)為可能有約500種二維材料，不只石墨烯和TMDC，還包括單層金屬氧化物和單元素材料。“如果你想要一個給定屬性的二維材料，那么你將能找到一個。”愛爾蘭都柏林三一學(xué)院物理學(xué)家Jonathan Coleman說。
“每一個都像樂高積木，如果你將它們拼在一起，或許就能做出一個全新的東西。”Kis說。
平面大冒險
僅幾個原子厚度的材料，就能有非常不同的基本特性。“即便塊體材料乏善可陳，但如果你能將它變?yōu)槎S形式，它會打開新的大門。”中國復(fù)旦大學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)蹜B(tài)物理學(xué)家張遠(yuǎn)波說。
碳就是一個典型的案例。2004年，物理學(xué)家Andre Geim和Konstantin Novoselov首次報告稱，他們在英國曼徹斯特大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室分離出了石墨烯。他們的技術(shù)非常簡單。基本步驟是，在石墨薄片上按壓一條膠帶，然后將膠帶撕下，膠帶上就殘留有一些原子厚度的薄層。通過重復(fù)該過程，他們最終得到了單原子層，于是Geim和Novoselov得以開始研究石墨烯的特性。該研究獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。
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