二维材料：开启智能设备 “芯” 时代的神奇钥匙

2025-04-02 08:00:15 57阅读次数

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研究背景

随着科技发展，智能设备需求剧增，传统材料在满足高性能、低维度和多功能需求方面逐渐受限，摩尔定律面临挑战。2D 材料因其独特性能，如原子厚度、高比表面积、可调节带隙和良好机械柔韧性等，在智能设备开发中展现出巨大潜力，成为替代传统材料的研究热点。

研究成果

快速的工业化发展促使人们将大量电子元件集成到更小的空间中以实现多功能操作，这一趋势已引起全球关注。为了满足不断增长的计算需求，需要先进的材料来取代传统的硅和金属氧化物半导体框架。二维（2D）材料在开发智能设备方面展现出巨大潜力，突破了传统材料的限制。尽管在过去二十年中取得了突破性进展，但目前仍缺乏对二维材料令人瞩目的物理特性进行深入系统研究的成果。因此，在这篇综述中，作者探讨了二维材料因其独特的统计物理和量子物理特性，在弥合传统技术与先进技术之间差距方面的重要性。此外，这些材料的固有特性可以很容易地进行调整，以满足智能设备的特定要求。因此，讨论了各种二维材料的物理特性，这些特性使其能够用于制造智能设备。我们还阐述了开发智能设备的潜在机遇，并明确了需要应对的重大挑战。相关报道以“Physics of 2D Materials for Developing Smart Devices”为题发表在Nano-Micro Letters期刊上。印度Neeraj Goel & Rahul Kumar教授为文章通讯作者。

综述要点

1. 2D 材料的原子厚度使其具有与传统材料截然不同的物理性质。在统计物理方面，其声子态密度、热导率等表现独特，如石墨烯在低温下比热呈线性温度依赖关系；在量子物理方面，展现出量子限域效应、狄拉克费米子、量子霍尔效应等现象。这些特性使 2D 材料在提高器件性能、实现多功能集成和拓展应用领域上具有显著优势。

2. 通过相转变、元素掺杂、衬底工程、缺陷工程和形成混合维度异质结构等策略，可有效调控 2D 材料的性能。相转变能改变材料的电子结构和光学性质；元素掺杂可精确控制载流子浓度；衬底工程影响 2D 材料的生长和性能；缺陷工程可引入新的功能；混合维度异质结构能整合不同材料的优势，为智能设备的发展提供了多样化的途径。

3. 在柔性可穿戴电子领域，凭借其优异的电学和机械性能，可制造高性能、低功耗的柔性集成电路；在生物医学领域，用于疾病诊断、健康监测和植入式设备；在人工智能领域，模拟生物神经网络实现高效计算；在量子技术领域，有望推动量子计算和通信的发展；在能源存储和传感器领域，展现出高容量、高灵敏度等优势。

图文导读

Fig. 1 Engineering 2D materials for developing smart devices.

总结

对柔性、可穿戴和便携式电子产品不断增长的需求，引发了全球对原子级薄的二维材料的关注。在过去十年里，二维材料新发现的特性彻底改变了智能设备，其应用范围涵盖从柔性电子到量子技术等多个领域。当传统材料通过在一个方向上从原子层面减小厚度，实现从三维到二维的转变时，由于量子限域效应，会出现一些令人兴奋的物理现象。量子物理现象的出现，使二维材料对环境条件和外部刺激更加敏感。从智能设备的角度来看，这为精确测定不同参数提供了额外优势。例如，二维材料能够检测出单个有害气体分子原子的存在。尽管二维材料在开发智能设备方面有着广阔的应用前景，但在实际应用中我们仍面临诸多挑战。

文献链接

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01635-7

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视频号：#柔性电子那些事