两个交替堆叠的六方氮化硼层。九年前，约书亚·罗宾逊的一位导师找到他，告诉他一项将彻底改变他职业生涯和材料科学大部分领域的发现。“我听到了关于二维石墨烯的疯狂讨论，”他回忆起导师当时说的话。导师当时当然指的是石墨烯，它是第一种真正意义上的二维材料：只有原子那么薄。早在2006年，物理学界才刚刚开始理解二维材料是如何存在的。快进到2015年。材料可以被剥离到只有一个原子的极限这一认知正在传播，遍及全球和元素周期表。研究人员正在发现，二维不仅仅适用于石墨烯中的碳原子。不同的元素组合可以带来迷人的新科学和应用。罗宾逊现在是宾夕法尼亚州立大学二维和层状材料中心（Center for Two-Dimensional and Layered Materials）的副主任，该中心拥有20名教职员工和50多名学生，致力于揭示这种新型二维材料动物园的基本特性。它是全球众多此类中心之一。随着科学家们不断创造新的二维材料，人们对于表征其令人惊讶的电子、光学和机械性能有着明显的狂热。这种兴奋感源于这样一个事实：被剥离到只有几个原子厚的材料，其行为与所谓的“块状”或三维版本非常不同。当材料中的电子被压缩到那薄得令人难以置信的层中时，量子效应便开始显现。而且，由于二维材料具有柔性，它们可以将这些独特的电学特性带入各种新应用——从可弯曲的触摸屏到可穿戴传感器。
超越石墨烯
二维材料的鼻祖石墨烯于2004年首次被分离出来。这一发现激发了各地基础研究实验室的强烈活动。然而，石墨烯的商业成功尚未达到其宣传效果。到目前为止，它只被少量应用于一些细分产品，例如优化重量的网球拍和高效灯泡。石墨烯的主要弱点是缺乏带隙，而带隙正是使硅和其他半导体在数字电子领域如此有用的原因。带隙允许材料中的导电性被开启和关闭，这是制造晶体管的关键——晶体管是用于处理数字代码1和0的电子开关。而围绕石墨烯的巨大兴奋也引起了担忧——石墨烯的潜力会不会枯竭？“每个人都在研究它，一切都已完成，”俄亥俄州立大学物理学教授罗兰·川上（Roland Kawakami）回忆道。随着对其行为的更全面理解和对其潜在应用的探索，人们对石墨烯的兴趣确实开始趋于平缓。自2012年以来，在美国物理学会（APS）年会上的石墨烯相关演讲数量一直保持平稳。与此同时，川上等许多石墨烯的早期采用者已经转向了石墨烯之外的二维材料领域。从同样的衡量标准——APS演讲数量来看——这些材料才刚刚开始升温。
丰富的性能
石墨烯的第一个引起关注的后代是二硫化钼（MoS2），一种银黑色固体，看起来与石墨相似。2010年，哥伦比亚大学托尼·海因茨（Tony Heinz）的团队展示，当二硫化钼被剥离到单层时，它会成为一个高效的光源，比其三维块状同类产品亮10,000倍。这使其非常适合用于超高效LED，或者反过来，用于在光纤网络或太阳能电池中将光转化为电能。二硫化钼中的光电转换得益于石墨烯所缺乏的一种难以捉摸的特性：带隙。安德拉斯·基斯（Andras Kis）在2010年证明，单层二硫化钼确实可以用于制造晶体管。随着硅在不断缩小器件方面苦苦挣扎，二硫化钼可能非常适合用于超小型、低功耗的晶体管。这些发现激发了对二硫化钼同类材料日益增长的兴趣。其他所谓的过渡金属二硫化物（TMDs）的二维形式展现出一系列不同的特性，从半导体到金属再到超导体。其中一些甚至表现出拓扑绝缘体的特性：材料的大部分是绝缘的，而只有最外层才能导电。凭借这些广泛的新特性，川上说，“你开始看到其他领域的人也开始感兴趣。”TMDs吸引着来自光学、电子学、超导性和半导体等广泛领域的研究人员的关注。
二维过渡金属二硫化物。图片来源：3113Ian
同类中的成员
另一类主要的二维材料与石墨烯更为相似。硅、锗和锡与碳属于同一化学家族。但是，虽然石墨烯作为完美平坦的二维层很稳定，但硅烯、锗烯和锡烯更喜欢褶皱、略微三维的结构。这意味着它们很容易与二维平面上方或下方的分子形成化学键，为化学家提供了定制材料性能的新方法。例如，锗烯和石墨烯一样没有带隙，但通过将氢原子键合到每个锗原子上，化学家就可以创造出一个带隙。而且，通过使用不同的化学品，一张单层材料可以具有不同性质的斑块。俄亥俄州立大学化学家约书亚·戈德伯格（Joshua Goldberger）与川上共同领导该校的二维研究工作，他设想利用这种图案化来创造一个化学定义的二维电子电路。然而，这些材料对化学键的亲和力是一把双刃剑——它使得“烯”类材料在空气中不稳定。第一个硅烯晶体管仅维持了几分钟。研究人员正在积极寻求方法来防止这种降解，方法包括将二维层夹在保护性绝缘层之间，或者将惰性分子键合到该层上。最后，磷虽然不完全属于碳家族，但其二维形式——磷烯——也展现出一些有前景的能力。它具有TMDs那样的天然带隙，但其电子仍然能够像石墨烯一样轻松地移动。磷烯一个有趣的特性是，仅仅拉伸它可以改变其带隙的大小。这可能导致颜色可调的激光器和光传感器。
锗烯在Ge2Pt晶体的最外层。
组合风味
然而，也许出乎意料的是，二维材料的真正突破可能来自于将它们堆叠成三维结构。混合搭配不同的层可以创造出有趣、意想不到的性质。“当我们把花生酱和果酱放在一起时，它就不仅仅是花生酱果酱三明治了，”罗宾逊说。“现在突然变成了鸡肉。”罗宾逊的团队刚刚发表了一项研究，他们将两种不同的TMD层堆叠在石墨烯上。这个三层结构表现出完全未预料到的行为，展示了所谓的负微分电阻——对设备施加更高的电压导致电流流动减少。这种特性可能对下一代电子设备有用，但直到现在，在室温下实现这一特性一直是一个挑战。由于有如此多的二维构建模块可供选择，每一个堆叠都有可能给科学家带来惊喜。“这才是真正令人兴奋的部分，因为有可能出现某种……将完全发明一项新应用的性质，”罗宾逊说。有一种明确的感觉是，这个领域更多地是由年轻的创造力驱动，而不是遵循先验经验的说明手册。而这份说明手册在这个全新的二维材料世界里几乎派不上用场。例如，最初围绕石墨烯的许多炒作都与电子学以及取代硅的潜力有关。“硅仍然是王者，而且投入了大量聪明才智在硅上。试图取代硅并不是万能策略，”戈德伯格解释道。取而代之的是，研究人员正在进行试验和测试，并期待惊喜。罗宾逊回忆道，在最近的一次二维研讨会上，“没有人站起来说‘我知道杀手级应用是什么’，因为我们还在努力弄清楚这些东西到底能做什么。”科学家们对尚未到来的突破寄予厚望，这一点怎么强调都不为过。“对我这一代人来说，二维材料就是未来，”川上说。“你尝试的一切都是新事物。”
