类石墨烯材料的发展

类石墨烯材料的发展

类石墨烯材料是一种全新的材料，它的出现为制备大面积和高质量的纳米器件带来了希望。这种独特的二维结构能够将微观下优异的电学、磁学和光学性能与宏观下的超薄性、透明性和柔韧性有机地结合在一起，从而能够实现器件的微型化和功能。虽然无机类石墨烯材料能够带来一系列革新的性能和广泛的应用，但是其大量合成、低维结构的表征和清晰的结构-性能关系的建立却遇到了困难，而且器件的制作工艺对性能的影响也很大。

本工作综述了本课题组近三年在无机类石墨烯材料领域的工作进展，包括类石墨烯结构及其与石墨烯插层复合结构的可控、宏量制备方法，及其精细结构和缺陷结构的表征;温和条件下的有序组装机理及技术，以及柔性超薄器件的性能表征与应用。我们还详细研究了这些材料超薄的厚度、表面晶格扭曲和特殊的缺陷结构所赋予的特殊电子结构及其在光电解水、热电转换和催化活性位点研究方面带来的新机遇。

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江苏先丰纳米材料科技有限公司是国际上提供石墨烯产品很早的公司之一，现专注于石墨烯、

自2004年有科学家成功制备石墨烯(即单原子层碳)以来，该材料的物理内涵和优异性质引发外界对基础和应用研究的热潮。今年中国研制的全球量产石墨烯手机，不仅画面高清，电池寿命也更长;而军事强国近年来也纷纷用石墨烯代替凯夫拉、芳纶等材质，着手打造新型铠甲防护装具;中国科学家则在石墨烯电子皮肤研究上取得了进展。不久前，中国科学家突破石墨烯工业化生产难题，制备单层石墨烯仅需一小时。但因石墨烯的电子结构中不具备能隙，限制了其在光电器件方面的应用。

不过，新型的有直接带隙的类石墨烯材料“单原子层过渡金属硫化物”(如MoS2, WSe2等)以其独特的光电性质受到关注。只是此前国际上关于单原子层二维材料的研究集中于经典光学领域，尚未在实验上观察到光子反聚束等量子光学现象。

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等与华盛顿大学许晓栋、香港大学姚望合作研究发现，二硒化钨(WSe2)二维单原子层中的原子缺陷能够束缚激子，成为非经典的单光子发射器，“和其他的单光子系统相比，这种基于单原子层的单光子器件不仅利于光子的读取和控制，还可方便地制备和实现与其他的光电器件平台结合”。

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这项研究意味着可以实现高效光量子信息处理线路。理论还表明，科学家通过控制电场，可实现对单电子自旋—谷耦合自由度的量子调控，“未来将应用于可容错量子计算的研究”。

事实上，具有潜在前景的基于单原子层的量子调控领域已成为国际竞争焦点。潘建伟团队的研究成果5日在线发表于《自然·纳米技术》，法国强磁场国家实验室等三个欧美独立研究团队也有类似研究成果，但晚于中国团队投稿。

值得一提的是，潘建伟团队在可扩展光量子信息处理技术的系统研究上已取得一批成果，包括在国际上实现单原子层半导体量子器件、实现量子人工智能算法实验等，在光量子信息领域保持着国际地位。

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