一般而言,在自然界中常见的晶体都是三维的体材料,但是在这些体材料中,有一类材料具有独特的晶体结构,晶体内部的原子在某一平面内以共价键结合,而平面与平面之间以范德华力相互作用,这样的原子平面不断叠加,构成了宏观的体材料。由于范德华力是比共价键弱得多的作用力,因而这类材料很容易就能使层与层分离开,当不断降低这类材料的层数直至少层或者单层时,就得到了二维原子晶体材料,简称二维材料。最典型也最为大家所熟知的二维材料就是石墨烯,它是由单层碳原子以六边形的结构构成的,除此之外,过渡金属硫族化合物、黑磷、六方氮化硼、砷烯和锑烯也是目前科学家们广泛研究的二维材料。
那么为什么二维材料会引发广泛的关注呢?我们知道对于一种材料而言,不管是何种性能都受到材料内部电子、空穴、声子等粒子传输和扩散的影响。而对于二维材料而言,由于原子排布在一个平面内,即电子、空穴、声子等传输和扩散被局限在一个平面内,因此二维材料一定会表现出与三维体材料不同的性能,包括可控的拉曼振动和能带结构、更好的力学性能和电学性能等。
当我们仔细观察不同二维材料的原子排布方式时,往往会发现在原子平面的两个互相垂直的方向上,原子排布结构是不同的,其中一个方向上原子的排列类似于锯齿的形状,我们称之为Zigzag方向,而另一个方向上原子的排列呈现出椅子的形状,我们称之为Armchair方向。这样的一种特性往往会导致在不同的方向上,材料展现出不一样的性能,即各向异性。在二维材料中,很多材料都会表现出强烈的各向异性,这些各向异性表现在拉曼光谱、光致发光光谱、非线性效应、光吸收谱、载流子迁移率、热导率、电导率和机械强度等方面。
拉曼光谱的各向异性为我们提供了判断材料晶向的重要手段;而基于光致发光光谱、光吸收谱的各向异性,我们可以制造偏振的光电探测器;利用电学性能的各向异性,科学家们成功实现了人造仿生轴突-突触神经结构;杨氏模量的各向异性体现出材料不同方向上可拉伸性的不同。因此,利用好二维材料的各向异性,能够实现各种各样的偏振应用。此外,基于二维材料的各向异性,科学家们能够设计器件的几何参数,从而实现性能的最优化,这一点也是研究二维材料各向异性的重要意义之一。近几年来对于二维材料的研究相当火热,随着研究的进一步深入,二维材料更多的各向异性会被发现,更多基于二维材料各向异性的应用也会走进我们的生活。
应《材料导报》“二维材料”专题特邀编审鲍桥梁教授邀约,华中科技大学光学与电子信息学院臧剑锋教授全面调研了国际上有关二维材料各向异性研究的最新进展,总结撰写了《二维原子晶体材料中的各向异性研究概述》一文。该指导性综述根据不同的二维材料进行划分,总结了不同二维材料所具有的各向异性性质。然后简要介绍了基于二维材料各向异性的几个典型应用,充分揭示了二维材料各向异性研究的重要意义。文章还根据当前的研究现状,提出了二维材料研究所面临的挑战,以及二维材料各向异性应用前景的展望。该文系《材料导报》2017年特别策划的“二维材料”专题中的重点文章之一,将刊登在第31卷第5期综述篇上。
我们近期会在杂志社微信公众号“cailiaodaobao”以及官方网站http://www.mat-rev.com上陆续介绍“二维材料”专题亮点文章,敬请广大学界专家和师生予以关注。