Nature子刊最新綜述：二維材料的合成及其元素化學

【引言】

二維材料是一種具有原子厚度片狀結構的材料，其具有獨特的電子、光學和機械性能，已經成為了技術應用以及未開發的基礎科學領域中最有潛力的材料。這些材料通常在平面內由共價鍵結合而基體間是弱的分子鍵結合。其中，石墨烯是最典型的二維材料，現有的二維材料大部分都是從層狀材料的體相中分離得到的，這種合成方法大大地限制了新型二維材料的發現。合成具有更廣泛性能的二維材料取決于材料組成元素以及基體的類型。二維材料中最吸引人的材料是基本二維材料，因為在合成方法研究中，它的合成方法相對溫和。因此，在這篇綜述中詳細總結了在二維材料的合成以及合成中的化學性質方面的研究進展，并且為這個新興領域的未來提供了更多選擇和挑戰。

近日，由美國西北大學的Mark C. Hersam和阿貢國家實驗室的Nathan P. Guisinger（共同通訊）等人詳細總結了二維材料的合成以及化學性質的表征方法，重點講解了基本二維材料的合成。基于石墨烯這種最典型的二維材料，講解了與石墨烯接近的第III主族硼的二維材料、第IV主族硅、鍺和錫的二維材料以及第V主族磷、鉍的二維材料的理論計算的結構、性能預測，隨后總結了每一種材料的合成以及表征方法和結果，針對這些二維材料的常溫不穩定問題，還提出了改善其常溫穩定性和化學性質的方法，最后對二維材料這個領域未來的發展做了展望。以上內容以“Synthesis and chemistry of elemental 2D materials”為題發表在2017年1月25日的Nature Reviews Chemistry上。

綜述總覽圖

1、二維材料發展史

二維材料是一類具有原子厚度的片狀材料，并且具有優異的光學、電子、機械性能，有很多方面的應用。但是，迄今為止，大部分商用的二維材料如石墨烯、MoS₂、黑磷、氮化硼等都是通過對應的層狀結構的固體相材料得到的，這樣的制備方法限制了新型二維材料的開發和應用，并且降低了材料可設計的可能性。反之，通過調整元素的組成和基體相的種類來合成二維材料，為新型二維材料的合成提供了更多選擇和可能性。 本篇綜述總結了基本二維材料的合成（SE2DMs）以及其與基體的分離。通過實驗發現，石墨烯平面內的鍵強要大于平面外的鍵的強度，這樣的規則要求傾向于形成強共價鍵的元素才能合成二維材料。根據元素周期表可以列出以下元素，如圖1所示。從圖1可以看出。基本二維材料不包括堿金屬薄膜、過渡金屬薄膜和表面再構。

圖1 能合成二維材料的元素以及其對應的合成方法

二維材料的合成方法有很多，比如自上而下的合成方法如剝離法，以及自下而上的合成方法如物理氣相沉積和化學氣相沉積，詳細的二維材料合成方法將在BOX1（參見原文）中介紹。

此外，并不是所有的二維材料都像石墨烯一樣在常溫下可以穩定存在，本文討論的二維材料的合成過程很多都不是自然發生的，因此對應合成的二維材料并不穩定，這就大大影響了其合成條件以及表征和應用，本文也詳細講述了二維材料的這些限制條件，并對未來在這個方向要做的工作提出了一些指導。下面本文將按照主族元素的順序分別對第 III、IV、V主族的元素依次講解。

2、第III主族

2.1 硼

由于硼的三價電子構型導致硼是化學性質最復雜的元素。硼原子中的電子通常都是在三個原子間游離，因此硼具有非常復雜的構型，在純固相硼中，硼具有5-16種幾何構型不同的同素異形體。但是結構的多樣性在原子層面表現的不是很明顯，硼原子通常形成的是準平面內的類烴結構，即六邊形的B7包含一些空穴，再彎曲，最終形成的是籠狀的硼類富勒烯的結構。

2.1.1 預測結構和性能

根據第一性原理已經預測出很多種硼同素異形體的納米結構，下面著重講的是硼的二維納米片，簡稱為硼烯。早期的說法認為硼烯具有類似石墨烯的蜂窩狀結構，包含彎曲的外平面會進一步減少層間的能級差，最終會使之形成與B7的褶皺結構更加吻合的穩定的結構。另一種說法認為硼烯的結構是含有序空穴的三角晶型中，硼聚集化學是支撐這種說法的有力基礎，稍微大一點的硼聚集體都會形成六邊形的空穴。空穴的引入使其相比于三角晶可能具有更好的熱穩定性和一些金屬特性，但是在層間引入空穴也會導致結構更加復雜化，因為上述硼烯的合成總是生長在一些貴金屬上，因此也有一個結論就是貴金屬更容易使硼烯向含空穴的三角晶模型生長。而這種二維納米片的穩定結構表明，硼納米管可由其構造而成。硼納米管以其優良的導電性聞名，有預測表明這些硼納米管的導電性可能會超過碳納米管，成為納米領域更有潛力的電導材料。

2.1.2 合成和表征

盡管硼烯和硼納米管已經引起了廣泛的研究興趣，但是由于固相硼常溫易氧化、結構復雜的特點，對于硼烯的合成還不是很清晰。早期采用CVD的方法來制備硼納米管，但是制備的只是原子層面的結構，并不能確定就是硼納米管，此外，還容易被空氣中的氧氣和碳污染。近期，有研究通過在銅箔上采用固態的前驅體CVD法制備了超薄的硼相，結構來源于γ-B，雖然具有與半導體性質相符的帶隙，但是與預測的其他性能相比，這種材料都更符合超薄的固相材料而不是納米尺度的同素異形體，并且，當暴露在空氣中時，也有明顯的被部分氧化。即便合成的不是硼烯，但是大量的準備工作也給二維硼結構的延展帶來了可喜的進步。

圖2 硼烯的STM圖以及各種原子結構模型

從早期的探索中，可以看出硼烯的合成中面臨的主要挑戰是硼易被污染、原料純度以及基體的可兼容性。近期，有兩個獨立的研究同時采用了超真空分子束外延（UHV-MBE）技術、純固相硼為前驅體和（111）面的銀為基體來合成硼烯，UHV環境減少了氧化的可能和外來碳的吸附，銀提供了平整干凈且化學惰性的表面供硼生長。Mannix觀察到兩種不同的硼烯結構，分別如圖2a和b所示，分別被認為是條紋相和均勻相，兩種相都具有各向異性并且具有對稱性。圖2c中可以看出條紋相由矩形的晶狀結構組成。圖2d可以看出均勻相由原子級別的鏈狀圖形組成，并且相鄰之間相互垂直并彎曲在平面外。Feng觀察到與上述相似的兩相，分別是S1和S2相。Mannix認為矩形相可以看成是彎曲的三角晶輕微的畸變得到的。而Feng認為S1和S2相與β₁₂和χ₃相一致，如圖2e所示。提出的兩種模型都與實驗后得到的掃描隧道顯微鏡的照片相一致，但是在不含基體的情況下，彎曲三角晶的結構沒有空穴結構的說服力高。許多計算表明，硼烯應該會表現出金屬或者半金屬的特征，但是要想測試硼烯本身的性能就要去除基體以及生長在基體上其他物質的影響。上述兩種合成方法合成的硼烯的STM的表征結果都說明了硼烯具有金屬性特征。有角度分辨光電子能譜（ARPES）結果也證明了硼烯片具有類金屬性質，與之前的計算結果一致。此外，很多研究表明硼烯是一種高溫超導體，與在高壓條件下固相硼中的超導性質一致。

2.1.3 化學性質

最近才有研究報道硼烯的合成方法，因此對其化學性質還沒有進行清楚的的實驗探索。但是，硼烯在空氣中不穩定，易分解，當在硼烯中引入1-5nm厚的多孔硅后，可以發現其分解速率大大降低，而且在UHV條件下，與氧氣的反應速率很慢，這說明是空氣中的水分或者其他物質會加快硼烯的分解。此外，有實驗還在硼烯結構中加入低濃度的金屬原子，但是這些改性方式對于硼烯的穩定性是否有作用還是一個未解之謎。

3、第IV主族

因為石墨烯是來自于第IV主族最輕的元素，也是最典型的二維材料，所以關于二維材料自然會想到第IV主族中其他原子序數較大的元素。但是，硅、鍺、錫、鉛中并不具備石墨烯中sp²雜化特征，而是具有sp²-sp³雜化特征的彎曲蜂窩狀結構，也因為這些元素相比于碳具有更強的自旋-耦合電子效應，所以預測它們會表現出拓撲非平庸電子態。

3.1 硅

3.1.1 預測的結構和性能

硅在微電子工業中的地位非常重要，因此石墨烯類似物硅烯引起了廣泛的研究興趣。第一性原理計算結果表明，單層硅以非平面的彎曲蜂窩狀結構穩定存在，如圖3a所示，聲子預測以及分子動力學計算結果表明，小邊緣平面外彎曲結構可以在1000K下穩定保持。近年來的計算結果已經表明很多復雜的彎曲構型可以在不含基體的相中存在，但是幾乎沒有計算會考慮基體的影響，原始研究表明，非平面鍵的構型同樣適用于含基體的硅烯，而這些基體的存在也非常有可能會影響硅烯的結構和性能。

因為硅烯也具有類石墨烯中的狄拉克-費米子，它也被認為具有類金屬性，但是硅烯中的類金屬性與石墨烯中不同的原因主要有兩方面：硅烯結構的對稱性低，彎曲的蜂窩狀結構以及更強烈的自旋-耦合電子效應。這些不同之處與石墨烯的理論值對比之后，證明硅烯具備拓撲非平庸電子態，自旋極化邊緣態以及帶隙調節特性。這些性能都是非常重要的，并有廣泛的技術應用，比如可以使以硅烯為基礎的器件快速地處理量子信息，支持自旋計算機邏輯，還可以用于可調晶體管和光探測器。

3.1.2 合成和表征

第一次報道原子尺度的硅相是在銀（110）面上生長的一維納米帶，雖然它擁有與預測的硅烯相吻合的彎曲蜂窩結構，但是這種一維結構的拉曼與不含基體的硅烯不符合，當然這也可能是與基體之間的反應有關。SE2DM的第一次合成是由Vogt發現的，通過在銀（111）面上生長硅烯，后來的研究和表征發現在其中多相共存的現象，如圖3b所示，硅和銀之間有特殊的超結構，最終產生的產物相也和反應中硅的流量和基體溫度有關。有一些研究表明還可以在Ir（111）、MoS₂和ZrB₂（0001）晶面上、UHV環境中生長硅烯，與銀（111）不同的是，這些基體上生長的硅烯不含有多元相。

圖3 硅烯和錫烯的STM圖以及預測結構圖

大部分硅烯的性能都是在含有銀（111）基體的條件下測得的，原位掃描隧道顯微鏡圖像顯示單層片的硅烯具有金屬或者半金屬性，最開始認為其中的4×4彎曲相是用來支撐狄拉克-費米子的，但是這項研究發現價態的上升是因為Si-Ag的雜化。對硅烯的生長過程已經有了一定的了解，但是對于最終產物材料的物理和電子性能卻依然不明確，特別是相，剛開始被認為是多層硅烯相，但是后來發現與狄拉克-費米子出現后的性能相吻合，而多層硅只有在低溫的基體上才能生長。有其他研究表明硅和銀混合后，在退火后結構不穩定，銀晶格中硅會發生分解。最近開始進行的將硅與基體進行分離的實驗得到了封裝的硅烯膜，對其進行電子傳輸測試發現具有類石墨烯的電子性能，即類狄拉克雙極化電荷傳輸性能。但是這項研究并沒有著重強調分離后的單層片的結構，但是它依然向不含基體硅烯的明確表征邁出了至關重要的一步，未來的研究方向應該著重于中間相的穩定性限制，這種不穩定性將會在下面的部分進行討論。

3.1.3 化學性質

硅具有非常強的反應性，因此單層硅烯在常溫環境下不穩定，所以找出制備常溫下穩定存在的硅烯的方法對于硅烯基集成器件的發展十分重要，目前以硅烯為基的集成器件在空氣中只有十幾秒的壽命。早期的方法都致力于對二維硅片的化學改性，研究了在UHV條件下對硅烯的原子共價改性。而近來的研究致力于研究單層片的反應性，含氫、氧、氯的低溫硅烯相。通過STM，發現早期的改性方法得到的原子級別的化學改性是無序的。后一種改性方式，如果可以控制多層硅結構的氧化，就可以得到電子結構與準靜態的不含基體的硅烯的電子特征相似的產物。但是，這些改性在電子性能方面的影響的研究也是非常重要的，并且化學改性會使硅烯在空氣中的穩定性增加。

3.2 鍺

3.2.1 預測的結構和性能

鍺的二維材料通常被稱為鍺烯，它也具有彎曲的蜂窩狀結構，但是鍺烯與硅烯最不同的地方在于鍺具有較大的原子序數，因而它的自旋-耦合效應較硅烯強，拓撲絕緣特征也比硅烯強，而且經過鹵化后，這種影響也會加劇。

3.2.2 合成和表征

鍺烯也是通過UHV-MBE在金屬表面合成得到的，比如Pt（111）、Au（111）和Al（111）等，如圖3c所示，此外，在半導體基體如MoS₂上也可以成功地生長鍺烯，并且可以大大地減少基體與鍺烯之間的電子密度能級差，降低能級差可以提高分析方法的有效性，也可以更加精確地表征其本征電子性能。但是與硅烯一樣，鍺烯中也有很多相需要進一步的表征，才能設計它們的結構和性能，這項研究再次表明了用多元正交表征方法來研究新型SE2DMs合成的重要性。

3.2.3 化學性質

對鍺烯進行化學改性后得到的鍺烯衍生物，可調控性和穩定性大大增強，這些衍生物是采用化學液相剝離方法，用層狀結構的固相鍺作為前驅體來得到含氫、含甲基的鍺烯，這些材料表現出半導體性質，并且甲基的引入形成了一定厚度的電子能級，這對于在光電子方面的應用是非常有利的。

3.3 錫

3.3.1 預測的結構和性能

單層錫烯的結構也被認為是彎曲的蜂窩狀晶型，鍺因為具有較大的原子質量而具有更強的自旋-耦合電子效應，自旋結構對能級結構也產生了影響，其計算結果與石墨烯的狄拉克-費米子行為不一致，通過一種材料邊緣處的拓撲非平庸態建立了約等于0.1eV的能帶隙。這些結構的自旋極化、低電阻率都在自旋電子學或者獲取量子信息的量子計算應用方面有著很重要的應用。錫烯的彎曲蜂窩狀晶體結構與α-Sn（111）的二層薄膜相同，因此對含基體的α-Sn（111）進行了研究，但是α-Sn（111）與錫烯有不同的地方：單層材料中p軌道不同，這些軌道通常占據低能級結構，也是拓撲非平庸邊緣態的來源，這些顯著不同也說明了解SE2DMs物理和化學結構的重要性。

3.3.2 合成和表征

Zhu在2015年首次報道了錫烯的合成，研究者在Bi₂Te₃（111）面上在常溫UHV的條件下合成了單層錫烯，STM圖像顯示了彎曲晶相中近重疊的晶體結構，密度泛函理論的能帶結構計算結果與ARPES測試的結果一致，接近Г點，但是預測結果中拓撲能帶結構中應該出現的K點卻沒有在實驗中發現，原因可能是表面吸附了一些雜質，比如氫，這會改變能帶結構形成中所需的未成鍵的P_z軌道的化學結構。對這一問題未來的研究應該著重于基本的應用和功能性應用上，以后的實驗研究應該探究去除表面吸附物以及錫烯與基體之間的本質反應。去除吸附物可以通過在不參加反應的密封包裝內進行，而基體與錫烯之間的反應可以通過采用更先進的表征方法或者長在其他的基體上進行。此外，這些方法還可能修復一些消失的拓撲態結構，增強錫烯的拓撲性能，至于其化學功能化，將在下面進行討論。

3.3.3 化學性質

盡管二維材料的合成和表征開始時間不長，但是已經有開始對其同素異形體進行化學改性的研究了。這些研究集中在P_z軌道飽和上，通過引入自旋-耦合電子對來加強能帶的磁性，從而加強拓撲絕緣特征，但錫烯在空氣中的穩定性問題還沒有進行清晰的研究，P_z軌道的高反應活性說明了錫烯不可能在未封閉的常溫條件下保持不變，許多研究組對含基體的錫烯進行了計算性的研究，特別是錫烯與基體之間的化學反應，結果表明這些化學反應與錫烯與鈍化的單層結構的化學改性相似。還有一種功能化的方式就是加入磁性滲染劑，這樣可以支持無耗散的電子傳輸，使量子計算功能增強。這些例子說明錫烯在其中扮演的是平臺的角色，在這個平臺上拓撲態可以進行化學加工以及通過空間選擇性改性有不同形狀。這種加工后的結果可以通過STM的圖像看出，反過來也減少了耗散。

4、第V主族

除了氮之外，所有V族的元素的固相結構都是層狀結構，黑磷是其中唯一一種已經分裂成單片層的材料。有研究認為所有的V族元素都可以形成彎曲蜂窩狀結構的同素異性體，這些相似之處表明在這些SE2DMs之間可能會有合金化作用，這也為它們的性能調控提供了可能。盡管這些元素的固相結構預示著它們可以形成原子厚度的SE2DMs,但是，由于磷、砷、銻具有非常強的毒性，所以不能直接用它們來合成SE2DMs。關于磷和鉍的合成已經有很多研究，而銻烯的合成是近期才發現，因此在本文中只總結了磷和鉍的相關內容。

4.1 磷???

4.1.1 預測結構和性能

磷有很多同素異形體，白磷、紅磷和惰性的黑磷等。磷烯是為數不多的可以直接由固相分裂合成的SE2DMs。黑磷是由堆疊的弱鍵相連的層組成的正交晶型，然而，這些層在平面外形成彎曲的波紋陣列，如圖4a所示，在機械強度、電導、熱導以及光學性能上有顯著的各向異性。另外，現在通常將分離的二維磷材料稱為黑磷，因為它含有至少5層甚至更多的黑磷結構。那些具有半導體性質的彎曲蜂窩狀單層結構的也被稱為藍磷。而且根據不同的彎曲形式還可以形成更多復雜結構變體。

4.1.2 合成和表征

合成磷烯的方法多為剝離固相黑磷，固態黑磷在經過氣相轉移過程（與化學氣相沉積相似，但得到的是固體）得到磷烯。二維片狀結構可通過微機械剝離固相或者液相得到，微機械過程需要消耗大量勞動力以及黑磷在常溫下易分解是這種方法的缺點。許多研究對CVD生長磷烯的方法進行了改進，比如將磷薄膜直接生長在Si/SiO₂圓片上，或者聚合物上，但是這需要高壓條件下進行。最近，通過UHV-MBE法在Au（111）合成了一種藍磷的衍生物，如圖4b,c所示，這種相與不含基體的藍磷的預測結構相比，有了4×4的彎曲重建和1.1eV的帶隙。盡管對這種相的詳細性能還不是很了解，但是這種合成方法卻為直接生長磷烯相提供了可能。

圖4 黑磷和磷烯的結構模型和STM圖

4.1.3 化學性質

磷烯在常溫條件下反應性很強并且能夠快速氧化，這種分解過程包括將磷烯暴露在含氧的水中，并通過增加光照來加速分解，結果表明，黑磷可以在不含氧的溶液中獲得，這也給合成磷烯提供了擴展性思路，未來要實現技術關聯，必須對黑磷和磷烯進行鈍化處理。采用聚合物或者六邊形的氮化硼進行物理封裝的方法很有效，但是沒辦法同時得到延展性和穩定性。用三氧化鋁封裝，發現穩定性的壽命增長，如圖4d所示。因此，技術應用的發展也需要找到合適的封裝材料類型以及磷烯的濃度。非共價鍵合的無機化改性可以通過引入n型和p型摻雜來實現。共價鍵合的改性可以通過重氮化合物來在黑磷表面形成一層穩定的鈍化層來實現，這個過程被證明是p型摻雜，增強了常溫穩定性，如圖4e所示。

4.2 鉍

4.2.1 預測結構和性能

鉍是第V主族中最重的元素，它的晶格結構是層狀，含有R3m空位組的菱形晶。在二維形式中，認為鉍會形成像硅烯或者藍磷烯那樣彎曲的蜂窩狀結構，如圖5a，這種結構也被認為是雙層結構，因為在蜂窩結構中，原子占據兩種不同的高度。鉍較大的相對原子質量，以及強自旋-耦合電子效應使它成為拓撲非平庸系統中最常見的組分。事實上，二維鉍材料被認為是二維拓撲絕緣體，然而，鉍的拓撲特征依然沒有被明確證明，因為很多實驗表明基體對于鉍層性能的影響是非常明顯的，為了證明拓撲絕緣特征，將蜂窩結構與基體分離后進行電荷傳遞測試是了解其電性能的重要途徑。

4.2.2 合成和表征

作為可以將SE2DMs與基體材料分離的材料之一，對二維鉍材料已經進行了很長時間的深入研究。早期的實驗室采用MBE法在不同基體上生長二維鉍，得到兩種不同原子尺度的平面相：一種是類似于固相鉍（111）面的彎曲蜂窩狀結構的同素異形體，如圖5a，b所示，另一種是鉍（110）面的類似于黑磷片結構，如圖5c，d。二維鉍層內弱鍵的性質使其表面容易生長原子尺度的平面。為了研究彎曲蜂窩結構或（111）取向層結構，選用對稱性不同的不同物質作為基體，在所有得到的結果中，在基體與二維鉍之間出現的表面相或者范德華界面都會影響鉍層的形成。開始時電子測試結果表明，這些層結構會保留電子信號，這與密度泛函理論的計算結果一致，這一結果對于深入地了解電子傳輸測試以及建立二維鉍的拓撲性質有很大的影響。此外，蜂窩狀膜在Si（111）晶面上的機械粘附會對這種轉變起到促進作用。黑磷結構可以在Si面或者高度取向的熱解石墨上進行重組生長，在這個過程中，（110）晶面是與生長面的取向一致的，而且也可通過贗立方表面對稱表征得到，這證實了生長過程中得到的同素異形體的厚度是不固定的。

圖5 鉍的原子結構模型以及STM圖

無論是蜂窩狀還是類黑磷結構的同素異形體，都有弱平面內原子褶皺。電子結構的本征測試表明不同結果應歸因于受到內應力以及來自基體的摻雜的影響。盡管最初的測試顯示了黑磷結構中具有拓撲非平庸邊緣態，但是關于二維原子層的拓撲性質的結論還不明確。

4.2.3 化學性質

原子厚度的鉍膜對于氧化非常敏感，但是納米級別的鉍的同素異形體的化學性質還沒有被廣泛研究。原始的報告里顯示，在UHV條件下，蜂窩狀結構鉍的同素異形體對于吸附的污染物不敏感。對其邊緣的甲基終止基進行研究的結果表明，不含基體的同素異形中會保留含大量拓撲態的蜂窩結構。因此，研究其化學改性為提高二維鉍常溫穩定性以及增強拓撲電子性能帶來了希望。

【結論與展望】

合成和表征新型基本二維材料已經成為二維材料研究的前沿，而且二維材料具有比固相材料更多樣的結構以及多種多樣的性能。二維材料的設計性與基體材料本身的性質以及制備環境有關。在這樣的設計中，單元素的物質可能會得到多相材料。而將計算科學與實驗結合起來，大大提高了材料合成和應用的有效性。二維材料的合成方面取得的成果可以激勵元素周期表的更新。早期對SE2DMs的研究表明它可以形成新的材料體系，并且在未來的應用也非常廣泛，特別是許多SE2DMs憑借其高原子系數而在拓撲非平庸性能方面有很大潛力，拓撲絕緣體以及相應的電子相，表明它們會在無耗散物質、自旋-極化傳導通道、自旋電子、量子計算方面有重要應用。此外，這些材料的共同點是可以將它們引入垂直或者側面的異質結構中，從而會增加新的性能。對于各種單獨的二維材料也有其各自的應用，硼烯可能會表現出具有高度取向性的金屬導電性質以及光各向異性等，這些性質可以使其在透明導體中有所應用，而且這些性能為研究原子厚度材料的金屬性提供了指導。第IV主族的二維材料具有類石墨烯的電子特征并且對化學改性和拓撲非平庸電子特征適應性很強。就應用而言，磷烯是較為成熟的一種二維半導體材料，并且具有可調的帶隙，高載流子遷移率，電子各向異性以及光學性能，但是目前還沒有找到可以用CVD或者PVD法制備大面積磷烯的方法。二維鉍表現出拓撲非平庸的電子狀態，它可能適合于在裝置平臺中的基礎和技術探索，盡管類黑磷同素異形體的精確特征仍然未確定。

雖然在這個領域的研究已經取得了一定的進展，但是依然有一些未解決的挑戰。其中最大的挑戰就是二維材料的合成、表征和應用，主要的限制因素是：初始環境條件、生長方式以及含共價鍵元素的選擇以及反應性較弱的基體的選擇等等。除此之外，固相同素異形體在常溫空氣中的穩定性較差，并且難以進行精確表征也同樣是未解決的難題。并且在半導體工業領域已經成功應用了空氣敏感的材料，如Si和Si_xGe_1-x，表明這類材料在這個領域有很大的應用潛力。此外，理論計算也為預測基體與二維材料之間的反應提供了一些指導，這樣可以提高實驗的效率，采用多種不同的方法來改善其結構。二維材料的特征和性能也會對二維材料的穩定性有影響。目前常用的表征方法是原位UHV合成和表征，但是這種有局限性的表征方法沒有辦法完全保證產物的性能和結構，因此，正交技術應該用于這項研究中。最后，將SE2DMs與其基體進行分離的研究也是非常有必要的，硼烯、鍺烯、錫烯和二維鉍材料都還沒有進行去除基體后的獨立表征。有采用原位沉積的非共價但完全包封的層（例如，硅或AlO_x），或潛在的提供惰性，保形保護和可逆解吸的可能性的有機或原子分子鈍化層。 無論如何，該領域的快速增長表明，開發具有在天然存在的材料中不能實現的前所未有的性質的材料具有巨大的潛力。

文獻鏈接：Synthesis and chemistry of elemental 2D materials（Nat. Rev. Chem., 2017, DOI:10.1038/s41570-016-0014）

本文由材料人納米組liuruili供稿，材料牛整理編輯。

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