二维材料需要修正吗（3分钟了解二维材料）

二维（2D）光电材料是由单层或少数层原子或者分子层组成，层内由较强的共价键或离子键连接，而层间则由作用力较弱的范德瓦耳斯力结合。它们因独特的2D结构而具有奇特的特性与功能。目前， 2D光电材料主要包括石墨烯（GN）、拓扑绝缘体(TI)、过渡金属硫系化合物(TMDCs)、黑磷（BP）等。

石墨烯(GN)

GN 是由单层碳原子以sp２ 杂化轨道组成一个六角格子并紧密堆积成蜂窝状结构的二维光电材料。

2004年，Geim 和 Novoselov等采用胶带法剥离得到了石墨烯(GN)，并研究了它的相关物理性能，引发了世界范围对2D材料的研究热潮，Geim 和 Novoselov并因此而获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

GN 具有相当优异的电子传输特性，电子迁移率高出传统硅材料100倍，电导率可达106S•m-1，可是说是目前已知的室温下导电性能最好的光电材料，而且对在紫外-可见-红外-太赫兹波段的超宽带光谱范围内的任意频率的光子都具有共振光学响应，在电子及光电子学等领域具有广阔的应用前景。

然而GN的零带隙电子结构特点会导致较低的开关比和较短的载流子寿命，限制了其在晶体管和发光材料方面的应用。

GN的晶格结构

拓扑绝缘体(TI)

TI是一种内部绝缘而表面或边缘处导电的2D光电材料，强自旋轨道耦合使其能带反转，拥有与GN相似的狄拉克锥结构。

目前，得以实验证实的强TI材料主要有Sb2Se3、Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3 等， 它们具有独特的内部绝缘、表面导电的特性，在构建自旋量子器件、拓扑量子计算、马约拉纳费米子研究、激光锁模等方面具有重要应用。

过渡金属硫化物（TMDCs）

TMDCs是由六方晶系的单层或少层组成层状结构的另一类非常重要的2D光电材料。TMDCs包括 MoS2、WS2、WSe2等。几年来，TMDCs独特的光电特性引起了世界范围内的研究热潮。

随着层数减至单原子层，TMDCs可从间接带隙变为直接带隙半导体，其带隙可随化学组分和原子层数的变化而在1-2.5 eV 内变化，甚至可在更宽的范围内进行调节，在近红外波段具有较强的源于强库伦作用的激子发光特性，为构建新型发光器件(如 LED、激光器等)提供了新的材料选择。

TMDCs晶体结构反演对称性的破缺和强自旋-轨道相互作用引起的圆二向色性可用于产生具有可变磁动量的载流子，由此产生了新兴的能谷光电子学。作为晶体管材料，TMDCs具有很高的开关比(高达106)，然而它的载流子迁移率较低，室温下单层 TMDCs的迁移率仅为0.5-3 cm2•(V•s)-1，这限制了它的应用范围。

TMDCs-MX2的典型结构示意图

黑磷(BP)

BP是最近被广泛研究的另一种非常重要的类石墨烯2D光电材料，磷原子在二维平面紧密堆积成褶皱的蜂窝状结构，BP的层间距为0.53 nm，大于GN 的层间距(0.36 nm)，有利于离子的插入及脱出，这使得BP具有优异的储能潜力，在锂离子电池、超级电容器等领域具有广阔的应用前景。

BP是一种p型直接带隙半导体，其带隙与层数具有依赖关系，随着层数减少，带隙可在0.3-2.2 eV 之间调控，在红外波段发光、光探测、光调制等光电子领域具有更广泛的潜在应用。

由于独特的褶皱状晶体结构，BP在原子平面内具有较大的拉伸和挤压特性，因此可通过施加外力使晶体产生应变，进而调节其电子能带结构在半金属态和绝缘态之间内变动，可用于机械电子传感等。在原子平面内，BP的晶体结构只有二次对称性，因此其电子结构具有独特的各向异性光电特性，在等离子体器件共振特性及与晶格正交性相关的热电子学研究方面具有特殊应用。

BP晶体结构示意图

表１　不同材料的非线性特性对比

总结

2D材料具有很多传统材料所不具备的独特的光电性能，特别是其卓越的非线性光学特性在构筑高性能、新功能光电子器件方面已经展示了巨大的潜力。 在2D材料的非线性光学性能研究和应用方面，作为可饱和吸收体应用于激光脉冲产生和调制是目前最重要的研究方向之一。

虽然这一领域取得了丰硕的成果，但同时也存在一些亟待解决的问题，这些问题包括如何提高2D材料(特别是TMDCs、TI、BP)的抗激光损伤阈值以及应用过程中的环境稳定性，在光纤激光器应用中如何与光纤器件更为有效的集成等，这都是未来需要深入研究的课题。

参考文献

马志军,魏荣妃,胡忠亮,邱建荣.2D材料和准2D材料的非线性光学特性及应用[J]. 中国激光, 2017, 44(7): 703002