Materials Studio——CASTEP基础教程「24」

4.4.4 二维晶体材料

二维晶体材料的探索史已接近百年，但直到2004 年成功剥离出单原子层石墨烯才标志着超薄纳米材料的诞生[28]。二维晶体材料是由几层单原子层堆叠而成的纳米级厚度的平面晶体。与固体材料相比，二维晶体材料的性质强烈依赖于电子结构并得益于更多的表面暴露的原子，故二维纳米材料表现出很多独特的性质。由于电子被限制在二维平面内，增加了其电子特性，使二维晶体成为光电器件领域中的理想材料。较强的面内共价键和原子层厚度使得它们表现出出色的机械强度、柔性以及光学透明度。

二维晶体材料拥有极大平面尺寸的同时还能保持原子厚度，故二维晶体材料有极大的比表面积，这扩大了催化和超级电容器的研究领域。通过表面原子吸附、元素替代掺杂、拉伸应变、不同方向边缘切割、构型设计、控制片层厚度以及缺陷工程等方法可以实现材料性能的可控调制，这为研究与电子结构密切相关的光学、电学和磁学性质特供了方便。因此，二维晶体材料可应用在柔性电子器件、光电器件、高功率/质量比的太阳能电池、吸附等领域。

目前，以石墨烯、黑磷、过渡金属硫化物、六方氮化棚为代表的二维晶体材料的研究己经成为当前物理学和材料科学的一个重要的研究热点[29]。图4.32 即是一些典型的二维晶体材料。

过渡金属硫化物层状材料包含三个原子层，过渡金属层镶嵌在两个硫原子层中间，每一个过渡金属硫化物层都是六方晶格结构。对于半导体材料来说，带隙直接影响其对光的吸收和发散，本征单层过渡金属硫化物是直接带隙的半导体材料，禁带宽度为1.1 ~1.geV ，与硅材料相当( l.leV) ，这使其取代传统硅材料广泛应用在电子元器件中成为可能。

黑磷烯晶体中的每个磷原子都与周围的三个相邻的磷原子结合，形成了作用力比较强的共价键。六个磷原子围成一个环状的六角形结构，由于磷原子的Sp3 杂化作用，黑磷烯表面呈槽皱蜂窝状。黑磷烯有直接带隙，黑磷烯的层数可调控其带隙值却不改变直接带隙特征。石墨烯是由碳原子紧密排列成蜂巢状的单层碳材料，是目前是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，抗拉强度和弹性模量分别为130GPa 和1.0TPa闷。

石墨烯具有优异的光学性能，它几乎是完全透明的，单层石墨烯只吸收2.3%的可见光，反射0.1%的可见光，透过率为97.7%[31)。石墨烯垂直于晶面方向的离域大π 键使得石墨烯具有优异的电学性能[32) 。它是一种禁带宽度为零的半金属半导体材料，其电子的运动速度达到了光速的11300，远远超过电子在一般导体中的运动速度。常温下其电子迁移率超过15000cm2/(V'S P3) ， 是硅材料的100 倍左右:而电阻率只有1O-6Q'cm，比铜更低，是目前世上电阻率最小的材料[34] 。

石墨烯的结构非常稳定，当受到外加应力时，弯曲变形的碳原子面使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定，这种稳定的晶体结构使石墨烯具有优异的导热性。石墨烯在室温下热传导率为4.84X 103~5.3X 103W/mK 。