泽攸科技 | 从石墨烯到异质结构：二维材料到底改变了什么？
发布时间：
2026-01-08
想象一下，我们所熟知的宏观世界——那些坚硬的混凝土高楼、导电的铜线、或是充满弹性的橡胶轮胎，它们的性质似乎早已被“注定”。混凝土之所以坚固，是因为水泥将沙石紧紧锁住；橡胶之所以有弹性，是因为高分子链条相互交联。然而材料科学界在过去二十年里发现了一个惊人的秘密：当我们把材料的尺寸缩小到极致，直到只剩下一层原子的厚度时，那些我们习以为常的物理规则会发生翻天覆地的变化。
想象一下，我们所熟知的宏观世界——那些坚硬的混凝土高楼、导电的铜线、或是充满弹性的橡胶轮胎，它们的性质似乎早已被“注定”。混凝土之所以坚固，是因为水泥将沙石紧紧锁住；橡胶之所以有弹性，是因为高分子链条相互交联。然而材料科学界在过去二十年里发现了一个惊人的秘密：当我们把材料的尺寸缩小到极致，直到只剩下一层原子的厚度时，那些我们习以为常的物理规则会发生翻天覆地的变化。
这就是“二维材料”的世界——一个厚度仅为纳米量级，却蕴含着无限可能的“平面”宇宙。
什么是“二维”？微观世界的尺寸游戏
在日常生活中，我们接触的物体大多数都是三维的。但在纳米尺度下，科学家们根据材料在三个维度上的尺寸特征，将它们重新分类。如果一个材料的三个维度都缩小到纳米级，它就是“零维”的纳米颗粒；如果有两个维度是纳米级，它就是“一维”的纳米管或纳米线；而如果只有一个维度被压缩到纳米级，保留了另外两个维度的广阔延展，这就诞生了“二维材料”（2D Materials）。
这就好比一张纸，虽然在我们的世界里它看起来很薄，但在原子尺度上它依然是“厚”的。而真正的二维材料，比如石墨烯（graphene），其“有效厚度”通常以石墨晶体的层间距表示，约为0.34纳米。如果把单层石墨烯看作一张极薄的保鲜膜，要把它堆叠到普通纸张的厚度，你需要叠上几十万层。
为什么变“薄”了，反而更强了？
二维材料让科学家们着迷的原因，并不是它们单纯变“薄”，而是薄到极致之后出现的奇异性质。归根结底，主要来自三个方面：
1.摆脱了“软弱”的范德华力
以我们熟悉的铅笔芯（石墨）为例，它由无数层石墨烯堆叠而成，层与层之间靠微弱的范德华力连接。写字时，轻轻一划，层与层之间就能滑动、断裂，于是石墨看起来很软。
但单层石墨烯内部的碳原子之间由强共价键连接。一旦剥离了那些“松散”的层间作用力，剩下的单层结构就展现出惊人的强度。
实验表明，单层石墨烯的固有拉伸强度约为130 GPa，远远高于常见结构钢。按理论模型估算，一张保鲜膜大小的石墨烯甚至可以承受一个足球的重量而不断裂。
2.巨大的“暴露”面积
二维材料的原子几乎全部暴露在表面，使其拥有极高的表面积体积比。这种特性让它们对周围环境的变化极其敏感。对于特定设计的器件而言，甚至可以达到接近单分子检测的灵敏度。这让二维材料成为制造超灵敏传感器的绝佳候选。
3.电子的“囚笼”效应
在块体材料中，电子可以在三维空间自由运动；但当材料被压缩到二维时，电子被限制在一个平面内。量子限域和层间耦合削弱共同重塑了材料的能带结构。
一个经典例子是二硫化钼（MoS₂）：在块体状态下是间接带隙半导体，发光效率很低；但当它变成单层时会转变为直接带隙半导体，并能在可见光范围发出明亮的荧光。
二维材料家族的“明星成员”
自2004年石墨烯被发现以来，二维材料的家族已经迅速壮大，它们各具特色：
1、石墨烯（Graphene）：它是导电与导热的王者，拥有约为光速 1/300 的费米速度；它透明而坚韧，对可见光的吸收只有约 2%。虽然没有带隙（半金属性质）限制了其在逻辑电路中的直接应用，但它依旧是电子学、能源材料和复合材料领域的基石。
2、过渡金属硫族化合物（TMDCs）：如 MoS₂、WS₂ 等多数单层 TMDCs 都是直接带隙半导体，非常适合制造晶体管、光探测器和发光器件。它们具有典型的 MX₂ 结构，一层过渡金属原子夹在两层硫族原子之间。
3、黑磷（Phosphorene）：黑磷被剥离成单层后称为“黑磷烯”。它像褶皱蜂巢般的结构带来了独特的各向异性。黑磷的带隙可通过层数调节，从约 0.3 eV（体）到约 1.5 eV（单层），覆盖可见光到中红外的重要波段。
4、Xenes 家族：仿照石墨烯，科学家们还合成了硅烯（silicene）、锗烯（germanene）和锡烯（stanene）。这些材料通常需在特殊基底和惰性环境中保持稳定，但在拓扑电子学等前沿领域展现出潜力。
像“搭积木”一样构建未来：操控与组装
理解材料性质只是第一步。二维材料最迷人的地方在于：我们可以将不同材料像积木一样堆叠，构建“范德华异质结”。
例如，用石墨烯作电极、用氮化硼作绝缘层，再夹一层 MoS₂ 作为发光层。自然界没有这种结构，但我们可以人工实现。
不过这种“搭积木”绝非易事。研究者操作的是原子级厚度的薄膜，且需要在微米尺度上完成抓取、对准与贴合。要完成这些操作，必须借助精密的微观操控平台。
以泽攸科技的二维材料转移台为例，它融合成像、加热、吸附、多轴协作等功能，是实验室构建范德华异质结构的重要工具。
它的设计体现了对微观工艺的深刻理解：
外观鲜明、标识性强：设备采用模块化与工程化结合的设计，整体布局开放、逻辑清晰，易于在实验室中快速辨识和上手。
支撑多层异质结构制备：转移台支持二维材料的拾取、对准、贴合与释放等一系列关键步骤，可用于多层范德华异质结的构建。
模块化设计，操作简易且可视化：系统由成像、位移、加热、吸附等模块构成，每个模块可独立理解又能协同完成工艺。
兼具高精度操控能力与广泛兼容性：转移台在运动控制上具备细致、稳定、可重复的位移能力，适用于二维材料转移过程中的微尺度对准需求。
正是有了这些精密工具，二维材料研究从最初“胶带撕膜”的粗略尝试，走向了构建复杂量子器件的工程时代。
未来已来：二维材料的应用前景
当我们能够制备并精准操控这些极薄材料，未来的大门就被打开了。
更快的芯片：基于 TMDC 或黑磷的场效应晶体管（FET）拥有较高的开关比与载流子迁移率。超薄沟道可有效抑制短沟道效应，是后硅时代芯片的有力候选者。
超灵敏传感器：利用二维材料巨大的表面积和高灵敏度，可以构造出接近单分子检测的传感器，用于环境监测与医疗诊断。
超级电池：石墨烯的高导电性和高表面积，使其成为理想电池电极材料。一些金属相 MoS₂ 在特定电化学体系中，甚至表现出高于石墨烯的比电容。
柔性电子：二维材料极薄且柔韧，层间可滑移，是折叠屏、柔性电路、可穿戴电子设备的核心候选材料。
从最初的一卷胶带，到如今精密的转移台；从石墨烯的惊鸿一瞥，到庞大的二维材料家族，我们正经历一场材料科学的革命。
在这个“平面”世界里，规则被改写，想象力被释放。
虽然让这些原子薄层走向大规模产业仍有诸多工程挑战，但我们已经站在了新时代的门槛上，准备迎接一个更薄、更强、更智能的未来。
参考资料
1、Ossila. "2D Materials: An Introduction to Two-Dimensional Materials."Ossila, 2025.
2、Nanowerk. "Nanoparticles Types, Properties and Uses."Nanowerk，2025.
3、Sabhadiya, Jignesh. "What is Graphite?- Definition, Types, and Uses." Mech Daily, 2 Apr. 2024.
4、马江将 et al. “缺陷位置对单层石墨烯拉伸形变的影响.” 计算物理 35.04 (2018): 475–480.
5、Liu, De-Sheng et al. “Tailored performance of layered transition metal dichalcogenides via integration with low dimensional nanostructures.” RSC Advances 20 (2017): 11987–11997.
6、Suhail, Atif and I. Lahiri. “Two‐Dimensional Hexagonal Boron Nitride and Borophenes.” 2020. 0.
7、Fei Cai. “Contact Resistance Parallel Model for Edge-Contacted 2D Material Back-Gate FET.” Electronics 65 1 (2020).
8、Miaosen Hu. “Sensitivity Enhancement of 2D Material-Based Surface Plasmon Resonance Sensor with an Al-Ni Bimetallic Structure.” Sensors 23 3 (2023).
相关新闻
