1、二维材料理论、制备与近况1二维材料 二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1-100nm）上自由运动（平面运动）的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱。 中文名中文名：二维材料 外文名外文名：Two dimensional material 2石墨烯材料的定义 石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。 厚度仅有0.335纳米，是构建其他维数碳质材料的基本单元。 3石墨烯 2004年在英国曼彻斯特大学的实验室，物理学家安德烈海姆（Andre Geim）和康斯坦丁诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）第
2、一次从石墨中分离出了石墨烯。这种单原子层厚度的碳薄片柔韧、透明，比钢铁强度高、比铜导电性好，如此之薄以至于称它为“二维材料”可谓实至名归。45石墨烯在发现前被认为是不可能存在的 从统计物理出发可以证明 Mermin-Wagner 定理，这个定理讲的是：任何具有连续对称性连续对称性的二维热力学系统，在非零温非零温下，其连续对称性连续对称性不可能发生自发破缺。 依据 Mermin-Wagner 定理，在非零温度下，这个情况是不可能发生的。一个大致的物理解释是，在小于等于二维时，若出现有序（即连续对称性破缺），Goldstone 玻色子的总能量会发散，以至于破坏有序 现实中没有完全严格的二维系统现实
3、中没有完全严格的二维系统，大家也一般会说，这个条件放松了，最多也就是定理对应的非零温这个条件放松一点大概在相当低的温度下可能找到准二维晶格大概在相当低的温度下可能找到准二维晶格但意想不到的是，室温室温下就能找到石墨烯这种东西。620102010年年1010月月5 5日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将将20102010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈安德烈 海姆和康斯坦丁海姆和康斯坦丁 诺沃肖洛夫，以表彰他们在石诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究墨烯材料方面的卓越研究。7 海姆和诺沃肖
4、洛夫认为，石墨烯晶体管已展示出优点和良好性能，因此石墨烯可能最终会替代硅。由于成果要经得起时间考验，许多诺贝尔科学奖项都是在获得成果许多诺贝尔科学奖项都是在获得成果十几或几十几或几十年后十年后才颁发才颁发。而石墨烯材料的制备成功而石墨烯材料的制备成功距距获奖获奖才才六六年年时间时间，就获得了诺贝尔奖，这使诺沃肖洛夫感到意外。 他说：“今天早上听说这个消息时，我非常惊喜，第一个想法就是奔到实验室告诉整个研究团队。”而海姆则表示，“我从没想过获诺贝尔奖，昨天晚上睡得很踏实”。 石墨烯材料的诞生获得2010年诺贝尔物理学奖89石墨烯的结构 完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形 (等角六边形)。 石墨
5、烯中的碳-碳键长约为0.142nm.每个晶格内有三个键，连接十分牢固，形成了稳定的六边形状。垂直于晶面方向上的键在石墨烯的导电过程中起到了很大的作用。10石墨烯的结构11石墨烯的结构 如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。 少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘曲，12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管 。 1213石墨烯的结构 石墨烯根据边缘碳链的不同可以分为锯齿型和扶手椅型。 锯齿型石墨烯条带通常为金属型，而扶手椅型石墨烯条带则可能为金属型或半导体型。14国内国际最新进展应用前景国内国内 大连化物所发表二维材料催化研究 深研院新材料学院用深研院新材料学院用二
6、维材料实现了高性二维材料实现了高性能钠能钠电电池池（Fe3(PO4)28H2O） 宁波材料所合成出前过渡族金属碳化物二维纳米晶体材料国际国际 等离子体在二维材料上等离子体在二维材料上有新有新举动举动 二维超导材料上观察到二维超导材料上观察到磁磁激发态（激发态（二硒化铌晶体） 世界上最黑的材料，可世界上最黑的材料，可以用喷枪进行喷涂，这种以用喷枪进行喷涂，这种名叫名叫VantablackVantablack S-VIS S-VIS的的材料能够吸收材料能够吸收99.8%99.8%的光的光线线15北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授团队在对新型二维材料Fe3(PO4)28H2O的研究中（Nano
7、Energy，2015，18，187-195.），将这种二维材料应用在钠离子电池中，获得了超长循环寿命和极高的倍率性能的钠离子电池。16黑色的涂料能让黑色的涂料能让3维立维立体的物体看上去像一体的物体看上去像一个个2维平面的、黑色的维平面的、黑色的洞，让你根本看不清洞，让你根本看不清其表面的细节其表面的细节必须密封起来、或储存必须密封起来、或储存在特定玻璃和保护层在特定玻璃和保护层中中只能用在能承受只能用在能承受100摄摄氏度高温的固定表面氏度高温的固定表面17等离子体在石墨烯等二维材料上移动的新行为有的光子实验系统需要一种叫做光频隔离器的装置，其作用是精确地阻止光线反射回光源，以免对实验造成
8、干扰。但是这种隔离器由于需要非常强的磁场，所以十分笨重，进而限制了其应用。方认为，有了这一新的思路，这种笨重的光频隔离器可能会被单层的二维材料所替代。18在过去的10年中，二维材料在催化方面的研究得到迅猛发展，在传统多相催化、电催化、光催化等催化体系中得到广泛应用，尤其在一些涉及能源催化转化的重要反应（如氧活化、水分解、二氧化碳还原等）中表现出了独特的催化特性。二维材料在催化中应用二维材料在催化中应用19物理学家们迅速开始利用这些性质尝试开发各种各样的应用，从可弯曲屏幕到能量存储。二维材料，二维材料， 何时飞入寻常百姓家何时飞入寻常百姓家应用前景20纳纳米米粒粒子子制制备备方方法法气相法气相法
9、液相法液相法沉淀法沉淀法水热法水热法溶胶凝胶法溶胶凝胶法冷冻干燥法冷冻干燥法喷雾法喷雾法气体冷凝法气体冷凝法氢电弧等离子体法氢电弧等离子体法溅射法溅射法真空沉积法真空沉积法加热蒸发法加热蒸发法混合等离子体法混合等离子体法共沉淀法共沉淀法化合物沉淀法化合物沉淀法水解沉淀法水解沉淀法纳纳米米粒粒子子合合成成方方法法分分类类固相法固相法粉碎法粉碎法干式粉碎干式粉碎湿式粉碎湿式粉碎化学气相反应法化学气相反应法气相分解法气相分解法气相合成法气相合成法气固反应法气固反应法物理气相法物理气相法热分解法热分解法其它方法其它方法固相反应法固相反应法量产量产2122锡烯锡烯， 超高导电效率石墨烯石墨烯。 单原子层
10、厚度的碳薄片柔韧、透明，比钢铁强度高、比铜导电性好过渡金属二硫族化合物（过渡金属二硫族化合物（TMDCTMDC） 与石墨烯相当的透明度和柔性单层二硫化钼（单层二硫化钼（MoS2MoS2）晶体管晶体管 有效吸收光，有效发射光，在太阳能电池和光电探测器23评估这些材料的应用潜力至少还需要20年二维材料面对的一个主要问题，是如何 廉价地生产均一、无缺陷的二维薄层。胶带法适用于制备层状TMDC和磷烯，但太耗时以至于无法用于大规模制备。黑磷块状材料的制备也很昂贵，因为需要将自然存在的白磷放在超高压力中。目前还没有人较为完美地从零开始生长单层二维材料，更不必说物理学家认为有前途的分层结构了。24现状 在在
11、2013年底，宁波墨西科技有年底，宁波墨西科技有限公司和重庆墨希科技有限公限公司和重庆墨希科技有限公司先后建成年产司先后建成年产300吨石墨烯吨石墨烯生产线和年产生产线和年产100万平米的生万平米的生产能力的石墨烯薄膜生产线，产能力的石墨烯薄膜生产线，并将石墨烯的制造成本从每克并将石墨烯的制造成本从每克5000元降至元降至每克每克3元（元（300万万/吨）吨）。 今年年初，浙大教授高超今年年初，浙大教授高超成功研发了一种新型、廉价、成功研发了一种新型、廉价、无毒的铁系氧化剂，使石墨烯无毒的铁系氧化剂，使石墨烯制备过程快、成本低、无污染，制备过程快、成本低、无污染，适用于工业化大规模制备。适用于工业化大规模制备。自然自然通讯通讯审稿人对该技审稿人对该技术的评价是术的评价是“该方法对石墨烯该方法对石墨烯未来的进一步应用具有重要意未来的进一步应用具有重要意义。义。” 石墨烯的优良性质是建立在单层的基础上 石墨烯材料还不够稳定，容易造成电池的自燃。 很长的过程去反馈 氧化石墨烯的物性差石墨烯太多2526
