量子限域效应 英文(量子限域效应公式)

2004年,石墨烯进入大众的视野,其具有的独特的二维平面结构、超大的比表面积等,使其表现出各种优良的性能,使多个领域中难以突破的问题成为可能,被认为是二维材料研究进展的开端,引发了无数科研工作者对二维材料的探索,随之其他性能卓越的二维材料也被开发出来,如六方氮化硼、MXenes、过渡金属二硫族化合物、黑磷和过渡金属碳化物等。它们的性能也随之更上一层楼:(1)源于量子限域效应,表现出前所未有的电子和光学性能;(2)二维材料与三维块体材料相比,表面一般没有悬空键,且其具有刚性结构,可通过直接转移或生长的方式使它们与如光学微腔等具有功能结构的晶体集成;(3)它们之间的范德华相互作用使其可构建出垂直异质结构,此垂直异质结,可解决晶格失配问题;(4)许多二维半导体材料的厚度还是原子级别,但不影响光与物质之间的强相互作用。

从石墨烯开始,二维材料现在已经成为一个成员众多、类别多样的大家族。它们涵盖了从导体、半导体、超导体到绝缘体各种类型。从最初的输运性质, 到光电器件和自旋电子器件, 再到后来的光/电催化剂、锂电池、太阳能电池、超级电容器等, 二维材料已渗透到众多现有的研究领域,甚至开拓出一些新兴领域, 有望在下一代信息传输器件和能源存储器件领域得到广泛应用。

二维材料的分类

1. 石墨烯

石墨烯,一种由碳原子按 sp2 杂化轨道组成的二维纳米材料,它可以是单层、双层和多层,2004年,经过机械剥离的手段获得,具有优异的力学、电学和热学性能,使其成为最具吸引力的材料之一。作为二维材料的开端,其结构异常简单。从块体石墨中剥离出的片状样品仅是由六个碳作为顶点的平面六边形结构。在其应用领域,在电学和光学器件中有着广泛的应用,且有巨大的潜力等待发掘,在电学性能方面,它属于半金属态,具有超高电荷迁移率、高导热系数、高透光率;在光学性能方面,虽然石墨烯很薄,但它可以在较宽波长范围内达到优异的光吸收率,且层数越多,吸收率也就越高。则就在存储电池、光电探测器、光伏领域、发光等领域发挥了重大作用。

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图1.石墨烯的结构

2.过渡族金属硫化物

过渡金属硫化物 (TMDs) 是早于石墨烯存在的二维材料,随着石墨烯良好性能的表现,TMDs又重新吸引了科研人员的目光,其结构类似于石墨烯,常见结构为过渡族金属M和硫族元素X构成的MX2,多变可调,因此它的多种材料也具有更广泛的良好性能,并“超越”了石墨烯。

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图2.TMDs的结构示意图

3.黑磷(Black phosphorus, BP)

黑磷最初以其优异的变温超导性被投入应用,随着2014年单层黑磷的成功制备,因其类似于石墨烯的结构,重新进入到研究二维材料的科研人员的视野中,其晶体结构是由磷原子组成的六角形结构,是一个单层,层与层之间靠范德华作用相互耦合。但是,原子并不是都位于一个平面内,它们的排列方式类似于TMDs的交错排列,具有方向性,即习近平rmchair方向和Zigzag方向。但两者也存在不同之处,TMDs的两个方向位于面内,则黑磷的排列变化垂直于平面。这样就破坏了晶格的对称性,也产生了多样的各向异性性质。

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图3. BP的结构示意图

4.六方氮化硼(h-BN)

六方氮化硼(h-BN),硼元素与氮元素相邻于碳元素,因此有些特性类似于碳,六方氮化硼的结构又类似于层状的石墨,因此又称为“白石墨烯”,相比石墨烯与其他二维材料,单层六方氮化硼的稳定性极高。

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图4. h-BN的结构示意图

5. MXene

MXene是一种新型的二维材料,是由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物组成的。MXene通常是通过刻蚀M习近平X相的元素来合成的(M习近平X的一般公式为 Mn+1习近平Xn,其中n=1-3),M代表早期过渡金属,比如Sc、Ti、Zr、V、Nb、Cr和 Mo等;习近平通常代表第三主族和第四主族化学元素;X代表C或N元素。

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图5. M习近平X-Ti3习近平lC2结构示意图

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