除了石墨烯

在过去的十年里，石墨烯一直是材料界无可争议的冠军。这个单原子厚的碳层是已知的最薄的物质，也是有史以来测量过的最坚固的物质;它也是一种比铜更好的导体，能够承受比铜高6个数量级的电流密度。它已经捕获了发现者，安德烈·海姆而且康斯坦丁·诺沃肖洛夫在英国曼彻斯特大学，a诺贝尔化学奖预计它将改变一系列不同的技术，从计算到涂料再到化学传感器。

当然，作为冠军的问题是，你总是会受到那些想要篡夺你位置的新贵的挑战，而这正开始发生在石墨烯上。和石墨烯一样，这些新贵是由一层薄薄的原子组成的二维晶体，虽然它们具有许多与石墨烯相同的特性，但也有一些新的特性。尽管他们还没有成功地将石墨烯从宝座上赶下来，但他们肯定也设法挤了上去。

诺沃肖洛夫说:“当人们对石墨烯有点厌倦时，二维晶体出现了，给这个领域带来了一个新的竞争对手。”然而，这些新的竞争对手非但不会构成威胁，反而可能最终成为石墨烯的制造者。

过渡金属

实际上，是诺沃肖洛夫和海姆首次展示了他们用于生产石墨烯的相同过程，即用一块胶带从石墨块中小心地拉出一层石墨烯，也可以生产其他二维晶体。在2005年的一篇论文中，¹他们报告说，使用这种技术生产了一系列二维晶体，从具有类似石墨的层状结构的材料，包括二硫化钼(MoS)₂)，二硒化铌(NbSe .₂)和氮化硼(BN)

在最初的几年里，石墨烯几乎受到了所有的关注，但现在科学家们开始转向这些其他二维晶体，特别是过渡金属二卤属化合物。顾名思义，它们由过渡金属组成，如钼、钨或铌，与硫或硒等硫化物相连。

与石墨烯不同，这些化合物实际上不是由单层原子组成的。相反，它们由夹在两层硫原子之间的一层过渡金属原子组成。然而，这三层中的原子被共价键紧紧地连接在一起，而每一层三层的原子只通过弱范德华键与相邻的原子连接在一起，这使得单独的原子层彼此分离。

尽管原子结构不同，过渡金属二卤属化合物具有石墨烯的一些令人印象深刻的特性，这是由于它们基本上都是表面的。显然两者都很薄，尽管石墨烯更薄，两者都很坚固，尽管石墨烯更坚固。它们也面临着同样的挑战，特别是在寻找大规模生产它们的方法方面。从三维晶体中费力地剥离单个二维薄片，即机械剥离，显然不适合大规模生产。

对于过渡金属二卤代化合物，更好的方法包括化学剥离，即在溶剂中超声三维晶体以释放单个薄片，以及化学气相沉积(CVD)，这种方法已经普遍用于生产碳纳米管。CVD是指将一种或多种含有组分元素的气体通过平面衬底，在那里它们一起反应形成二维晶体。然而，这些方法的一个问题是，它们生产的薄片往往不像机械剥离生产的那样原始，往往含有更多的缺陷。

有趣的差异

然而，其他二维晶体与石墨烯的不同之处在于，它提供了最大的希望。石墨烯的导电性能比铜好，但许多过渡金属二卤属化合物是天然半导体，氮化硼是绝缘体。此外，不同的过渡金属二卤属化合物具有不同的半导体性质。因此，尽管石墨烯无疑拥有一些令人印象深刻的物理性能，但其他二维晶体的广泛组合，包括40多种不同的过渡金属二卤属化合物，给了科学家更多的研究空间。

在某些情况下，这意味着某些过渡金属二卤属化合物可以做石墨烯所做的事情，只是稍微好一点。例如，单独的石墨烯薄片是有效的化学传感器，能够通过两种不同的机制检测化学物质。第一个涉及由粘附在石墨烯片表面的化合物引起的导电性变化。第二种方法是将石墨烯用作谐振器:如果悬浮，石墨烯将以特定频率自然振动或共振，当化学物质附着在其上时，该频率会发生变化。

科学家最近发现，同样的事情也发生在其他二维晶体上。在2013年,菲利普·冯和他在美国克利夫兰凯斯西储大学的同事们发现，悬浮的MoS薄片₂可以比石墨烯振动得更快，这表明它们可以制造更灵敏的传感器。²

“我们一直在积极研究MoS₂纳米机械谐振器在非常高的频率(在甚高频无线电波段)振动，因为高频设备要求它们更小，从而提供更高的速度，对外部刺激和干扰的更高响应性和灵敏度，”冯解释道。所以VHF MoS₂谐振腔在气相传感和分析中检测特定化合物方面具有很强的潜力。”

冯还希望增强MoS的传感能力₂此外，通过结合谐振器和电导率检测机制;他在这一目标的帮助，因为MoS₂是半导体。他说:“通过结合诱人的机电耦合特性，我们希望开发出具有更多集成功能的有趣传感器。”

在其他情况下，这意味着过渡金属二卤属化合物可以实现石墨烯根本不可能实现的壮举。例如，与石墨烯不同，过渡金属二卤属化合物与MoS具有催化能力₂能够催化析氢反应。研究表明，这是MoS的边缘₂负责这种催化活性的薄片，通常是相当弱的。

然而，最近，来自美国和韩国的材料科学家，由嘉兴黄伊利诺斯州西北大学的研究人员成功地提高了两种MoS的催化活性₂硫化钨(WS₂)通过在其上沉积金纳米颗粒。^3.他们通过简单地混合化学剥落的MoS片来做到这一点₂和WS₂在水中加入六氯金酸，薄片将酸还原并使金纳米颗粒在其表面形成。

有趣的是，这一过程对具有大量缺陷的薄片最有效，因为金纳米颗粒优先在缺陷位置形成，如薄片边缘和晶界，在那里组成单个薄片的三层相互之间并不完全对齐。黄和他的团队发现，覆盖MoS的薄片₂和WS₂用这种方法大大增强了金纳米颗粒催化析氢反应的能力。

黄说，这种催化活性的增加可能是由于金纳米颗粒增强了不同薄片之间的电荷传输，这表明这些金覆盖的薄片应该能够催化任何电催化反应。此外，Huang认为同样的基本方法可以用于用各种其他纳米颗粒覆盖薄片，有可能使它们催化其他类型的反应。

完全有用的缺陷

缺陷还可能导致另一种有趣的性质，到目前为止，这种性质只预测到过渡金属二卤属化合物。美国科学家由鲍里斯Yakobson休斯顿莱斯大学的研究人员最近计算出过渡金属二卤属化合物应该是磁性的，至少在晶界是这样。⁴

Yakobson的团队正在对CVD生产过渡金属二卤属化合物时形成的晶界进行理论研究。这表明边界应该显示一个小的磁矩，由边界附近电子的自旋引起。雅克布森解释说:“如何种植并不重要。“这些方向错误的区域最终会碰撞，这就是你发现拓扑缺陷的地方。结果是——我喜欢这个机械的比喻——他们从非磁性材料中挤出磁性。“石墨烯也具有晶界，但雅克布森的计算表明，由于石墨烯的导电性和单层结构，它们不具有磁性。

下一步是通过实验来检测这种磁性，在这种小尺度下，这远非易事。因此，Yakobson现在正寻求与中国北京清华大学的一个团队合作，以获得这一实验证明。如果他们真的找到了，这将提供进一步的证据，证明过渡金属二卤属化合物实际上比石墨烯更适合改造计算。

现代计算是建立在硅的半导体特性上的;特别是在某些条件下允许电流通过而在其他条件下不允许电流通过的能力。这样就可以制造出类似开关的晶体管，在物理上支撑数字世界的1和0。

石墨烯的问题在于它不是半导体，而是一种非常高效的导体:一种无法关闭的开关。石墨烯可以通过化学修饰或物理变形转化为半导体，但过渡金属二卤属化合物，如MoS₂是天然半导体。找到一种方法用它们来制造晶体管，你就可以把计算机电路缩小到原子尺度，这是传统的硅基技术不可能做到的。

如果过渡金属二卤属化合物也被证明具有磁性，那么就有可能利用它们来开发一种全新的计算方式，其中数字1和0是在电子的自旋状态中编码的，而不是在电荷中。被称为自旋电子学，这种自旋状态之间的转换可以通过外加磁场来实现，并应该提供更快的计算机处理速度。

一些科学家甚至提出，过渡金属二卤属化合物可以构成另一种新型计算的基础，即山谷电子学。电子以波的形式穿过晶体，这些波位于某些能量最低的山谷中。在山谷电子学中，其思想是在两个不同的山谷之间切换电子，作为一种编码数字1和0的方式。相当方便，MoS₂拥有两个这样的山谷，几个研究小组最近表明，利用偏振光在这两个山谷之间切换电子是可能的。⁵

生活在古老的石墨烯中

不过，石墨烯也不是一无所有，因为尽管现代计算机电路是建立在半导体上的，但它们也需要导体和绝缘体。因此，如果你想用过渡金属二卤属化合物构建一个原子尺度的电路，你还需要使用石墨烯作为导体，可能还需要使用氮化硼作为绝缘体。

这就是安德拉斯克义斯和他在洛桑瑞士联邦理工学院的同事所做的研究。2011年，他们发明了一种由单层MoS组成的晶体管₂作为两个金电极之间的半导体通道，⁶然后用两个石墨烯电极替换它们。最近，通过在MoS上放置第三层石墨烯₂层作为电荷捕获装置称为浮栅，他们创造了一个非易失性存储单元。⁷Kis和他的同事已经开始将这些晶体管和存储单元连接在一起，形成简单的电路。

事实上，二维晶体的真正潜力不是来自单独使用它们，而是将它们连接在一起形成异质结构。如果你把很多石墨烯片连接在一起，你就会得到大量的石墨，如果你把很多mo连接在一起₂那么你就会得到大量的mo₂．但如果你把石墨烯薄片和MoS结合起来₂薄片放在一起，你就得到了一种自然界中不存在的材料，它可能具有一些非常有趣的特性。

这就是诺沃肖洛夫目前的兴趣所在。他说:“我们使用不同材料的组合，每种材料都发挥着自己的作用。”“我们通过结合几种晶体观察到的物理现象的类型和数量非常令人兴奋，在应用方面非常有前景。”

通过夹一层WS₂诺沃肖洛夫和他的团队已经成功制造出了一种非常高效的太阳能电池。⁸石墨烯薄片经过化学修饰，其中一个是电子的主要载流子，另一个是空穴(由缺失电子产生的间隙)的主要载流子。

石墨烯是天然透明的，因此两片石墨烯薄片允许光线通过它们到达半导体WS₂表。就像硅一样，当光照射到WS时₂薄片，它产生电子·空穴对。电子和空穴立即被吸引到不同的石墨烯片上，因为一块石墨烯片带负电而另一块带正电，将电子·空穴对拉开并产生电流。

在开发这种异质结构的过程中，科学家已经有很多二维晶体可供选择，包括石墨烯和许多不同的过渡金属二卤属化合物，但新的二维晶体仍在不断出现。在过去的几年里，几个研究小组声称已经生产出了原子厚度的硅层而美国科学家最近预测，一层原子厚度的锡层(称为stanene)将是一种具有无损电子传导区的拓扑绝缘体。

如果这种情况继续下去，石墨烯的地位很快就会变得相当拥挤。

乔恩·埃文斯是一位生活在英国博沙姆的科学作家