The Innovation | 二维材料：未来应用之星
导 读
二维材料是由数层原子甚至单层原子构成的超薄晶体。因其电子运动空间维度受限且多自由度相互耦合，使其具有独特的量子效应与物性。得益于低维属性，其材料性质能被力、电、光、磁等多种外场有效调控。此外，由拓扑、对称性自发破缺、多体作用等相互耦合，可衍生出新奇的拓扑量子物态，这对发展新型量子器件及应用意义重大。
2004年英国曼切斯特大学物理学家Andre Geim与Konstantin Novoselov成功从石墨中分离出石墨烯，他们也因此获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是迄今最具代表性的二维材料，被发现以来，针对其及其他二维材料性质与应用的研究风靡全球，重大发现层出不穷，这为二维材料未来的应用打下了坚实的基础。
图1 多种基于二维材料的器件
二维材料在器件应用方面呈多样性（图1）。首先，其超薄厚度有利于推进器件小型化，实现诸如纳米场效应管、隧穿场效应管、光电探测器、逻辑电路、类脑器件等代表性纳米器件的应用；其次，利用它们的层状结构，可组成种类繁多的异质结，为电子学、光伏和发光二极管等应用带来新的机遇；而二维结构与磁性相结合更可实现纳米尺度下的自旋阀、自旋隧穿场效应管等重要器件的应用。同时，二维体系中显著降低的库仑屏蔽可明显增强激子结合，超越传统三维材料体系，实现高温激子器件应用。此外，二维材料中还存在谷、轨道、自旋、转角等多种自由度的耦合，不仅带来新奇物态更开创了全新应用。例如，谷-自旋耦合输运和谷选择的圆二向色性可用于设计谷和自旋电子器件，而扭转自由度形成的摩尔势与电荷掺杂、位移场及应变耦合后可显现出关联绝缘性、非传统超导、拓扑及轨道磁性等奇异物性。
图2 拓扑与对称性破缺相互作用衍生出多种新奇量子态
量子化、对称性和相位因子是二十世纪理论物理学的三大主旋律，它们从根本上改变了人类对物质世界的理解，已成为现代凝聚态物理和材料科学研究的核心。拓扑物态以量子化的几何相位为基本特征，其中对称性与对称性破缺扮演着重要角色。由拓扑、对称性、多体作用等相互耦合可衍生出极其丰富的二维拓扑量子物态，包括量子自旋霍尔效应、量子反常霍尔效应、拓扑强关联绝缘体等（图2）。另外，以二维拓扑态为基元可构筑出众多新奇的三维拓扑态，如磁性外尔半金属、三维量子反常霍尔绝缘体、反铁磁拓扑绝缘体、高阶磁性拓扑绝缘体等。拓扑物理学的兴起为二维材料研究开辟了新纪元，也为发展新型量子器件（如低功耗电子学、拓扑量子计算）指明了新方向。
总结和展望
尽管在相关领域取得了长足的进步，二维材料的实际应用仍面临巨大挑战。部分二维材料欠缺长期稳定性，亟需发展与应用兼容的保护方法。单层二维材料的低吸收率和低载流子迁移率限制了器件效率。同时，二维磁性材料的弱磁性相互作用和低电导率仍是面临的巨大障碍。高质量、低成本制备各种可控掺杂的二维材料、低污染且与工业兼容的大尺度集成沟道、接触和介电材料的方法仍亟待发展。战胜这些挑战需要多领域研究人员协同合作，未来可考虑高通量计算与先进的机器学习技术相结合，以加速新材料设计、优化其应用性能。不得不说，二维材料为全球学者提供了广阔的研究平台，如何实现二维材料在生活中的广泛应用虽阻碍重重，但未来可期。
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原文链接：
https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00040-0
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第二卷第二期以Editorial发表的“2D materials: Rising star for future applications” (投稿: 2021-04-25；接收: 2021-04-29；在线刊出: 2021-05-03)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100115
引用格式：Zou X., Xu Y., Duan W. (2021). 2D materials: Rising star for future applications. The Innovation. 2(2),100115.
作者简介
段文晖，The Innovation副主编，清华大学物理系教授，中国科学院院士。主要从事计算凝聚态物理和计算材料科学领域的基础研究，其研究方向包括凝聚态物质和功能材料的理论和计算设计、固体的电子结构、第一性原理计算、低维物理、量子材料及其新奇物性等。发表学术论文300余篇，被SCI引用超过15000次，获叶企孙物理奖（2013年） 、两次获国家自然科学奖二等奖（2000年、2014年），并入选美国物理学会会士。
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The Innovation 是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。往期作者（Volume 1 Issue 1 -- Volume 2 Issue 1）来自全球24个国家；每期1/3-1/4通讯作者来自海外。目前有183位编委会成员，来自21个国家；51%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，26位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus等数据库收录。
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