5月9日消息，科学家们正在探索人工堆叠二维 (2D) 材料的新方法，引入具有独特物理特性的所谓 2.5D 材料。日本研究人员在《先进材料科学与技术》杂志上回顾了 2.5D 材料的最新进展和应用。

通过堆叠不同的 2D 材料层，现在可以制造出具有独特物理特性的 2.5D 材料，可用于太阳能电池、量子器件和能耗极低的器件。图片来源：斯塔姆

“2.5D 概念象征着不受二维材料研究中通常使用的成分、材料、角度和空间的限制，”日本九州大学的纳米材料科学家和主要作者 Hiroki Ago 解释说。

常见二维材料，如石墨烯，由单层原子组成，用于柔性触控面板、集成电路和传感器等应用。

最近，已经引入了新方法，可以人工垂直、平面内或以扭曲角度堆叠二维材料，而不管其成分和结构如何。这要归功于控制范德华力的能力：原子和分子之间的弱电相互作用，类似于超细纤维布对灰尘的吸引力。现在还可以将 2D 材料与其他维度材料（例如离子、纳米管和块状晶体）集成在一起。

制造 2.5D 材料的常用方法是化学气相沉积(CVD)，该方法一次将一个原子或分子沉积到固体表面上。常用的 2.5D 材料构建块包括石墨烯、六方氮化硼(hBN)（一种用于化妆品和航空的化合物）和过渡金属二硫属化物 (TMDCs)（一种纳米片半导体）。

使用 CVD 方法，研究人员使用镍浓度相对较高的铜镍箔作为催化剂，选择性地合成了双层石墨烯，这是 2.5D 材料的最简单形式。镍使碳具有高度可溶性，使研究人员能够更好地控制石墨烯层的数量。当电场垂直施加在石墨烯双层上时，它会打开一个带隙，这意味着它的导电性可以打开和关闭。这是在单层石墨烯中没有观察到的现象，因为它没有带隙并且一直保持开启状态。通过将堆叠角倾斜 1 度，科学家们发现该材料变得超导。

同样，英国和美国的另一个小组发现，一层石墨烯和 hBN 会导致量子霍尔效应，这是一种涉及产生电位差的磁场的传导现象。其他人则表明，堆叠的 TMDC 会在重叠的晶格图案中捕获激子（电子与处于束缚态的相关空穴配对）。这可以导致在信息存储设备中的应用。新的机器人组装技术也使得构建更复杂的垂直结构成为可能，例如，包括由 29 个交替的石墨烯和 hBN 层组成的堆叠异质结构。

其他研究使用了在 2.5D 材料层之间形成的纳米空间来插入分子和离子，以改善主体材料的电学、磁学和光学特性。

例如，到目前为止，研究人员发现，石墨烯在将氯化铁插入其堆叠层之间时可以稳定氯化铁，而与导电体石墨相比，插入锂离子会导致更快的扩散速度（分子在一个区域中扩散的速度）用于电池。这意味着该材料可用于高性能可充电电池。

此外，研究人员发现，在两个石墨烯片之间插入氯化铝分子会导致形成与块状氯化铝晶体完全不同的新晶体结构。需要更多的研究来了解为什么会发生这种情况以及它可能有什么应用。

“这个新的 2.5D 概念有很多探索的机会，”Ago 说。

2.5D材料的未来应用包括太阳能电池、电池、柔性器件、量子器件以及能耗极低的器件。

下一步应该结合机器学习、深度学习和材料信息学，以进一步推进 2.5D 材料的设计和合成。