1.1機械剝離法

機械剝離法可以快速獲取單層、少層二維材料并用于性質(zhì)研究，其中開發(fā)高質(zhì)量的晶體合成技術(shù)是提高機械剝離法產(chǎn)率的先決條件，而材料與基體之間的結(jié)合力及材料層與層之間結(jié)合力的博弈，會顯著影響機械剝離法的效果。對于后者，引入一些輔助剝離的辦法可以有效地提高特定材料的產(chǎn)率，例如: 用氧等離子處理基體以增強材料與基體的結(jié)合力，以及利用金表面的強結(jié)合力的來輔助二維材料的剝離。該技術(shù)的發(fā)展要點在于：

只有上述兩點獲得長足發(fā)展，該技術(shù)才有工業(yè)化應(yīng)用的可能。

1.2 液相剝離法

液相剝離法，顧名思義，在溶劑中剝離塊體并獲取二維材料，其產(chǎn)率往往高于機械剝離技術(shù)。該技術(shù)可分為溶劑直接剝離法和插層剝離法。前者通過在溶劑中超聲可直接獲得單層或少層的二維材料，但產(chǎn)率較低；而后者通過化學(xué)/電化學(xué)的方法將異質(zhì)組分插層至二維材料中，可以高效獲得單層的二維材料，且產(chǎn)率較高。因此，合理選擇插層劑和合理設(shè)計剝離工藝對于薄層納米片的合成，及達(dá)到特定的應(yīng)用至關(guān)重要。

1.3 氣相生長技術(shù)

機械剝離法和液相剝離法都屬于自上而下的方法，而氣相生長技術(shù)屬于自下而上的生長技術(shù)，通常在具有高平整度的基材表面實現(xiàn)生長。常見的方法包括化學(xué)氣相沉積(CVD)、熱輔助轉(zhuǎn)換(TAC)和物理激光沉積(PLD)技術(shù)。目前，氣相合成技術(shù)是合成單層/少層二維材料的主流技術(shù)，通常通過調(diào)變生長溫度、氣體流量、前驅(qū)體種類和腔體壓力等來實現(xiàn)二維材料層數(shù)和尺寸的控制。對于一些具有高熔點的前驅(qū)體，還需要引入鹽來降低其熔點。氣相生長的另一重要場景就是大面積(晶圓級別)二維材料的生長，為了實現(xiàn)這個目的，目前可以采用熱輔助轉(zhuǎn)換技術(shù)和物理激光沉積技術(shù)來輔助大面積二維材料的生長。

圖1. 無褶皺單晶石墨烯晶片

在Cu(111)薄膜上的外延生長

1.4 化學(xué)合成法

相比前幾種方法，化學(xué)合成技術(shù)具有更高的靈活性，往往用于新型二維材料的合成。例如采用模板法制備二維金屬/金屬合金納米材料(如Au、Pd納米片和PdCu合金納米片)，共沉淀和電化學(xué)沉積技術(shù)制備LDHs，模板法制備二維MOFs， 濕化學(xué)合成Xenes?；瘜W(xué)合成法還用于新興的二維材料如二維金屬鹵化物鈣鈦礦材料，層狀金屬碳化物、金屬氮化物或金屬氮氧化物復(fù)合二維材料(Mxene)，層狀鉍氧硫族化合物(Bi₂O₂Se)等的合成。

圖2. 激光誘導(dǎo)頂層MoTe₂相變示意圖

4.1 電子學(xué)

二維材料的超薄特性，及載流子遷移率受厚度影響小的特點使其成為非常有應(yīng)用前景的溝道材料。由于其可以表現(xiàn)出導(dǎo)體、半導(dǎo)體乃至絕緣體的性質(zhì)，被廣泛用于晶體管、簡單電路乃至邏輯電路、神經(jīng)計算領(lǐng)域等研究。然而，二維材料作為設(shè)想中電子器件的關(guān)鍵材料，仍存在許多亟待解決的技術(shù)難點: 

只有同時在這三個方向上取得突破，才能真正奠定二維材料在電子學(xué)應(yīng)用中的地位。

圖3. 一種基于115個CVD生長的

二硫化鉬晶體管的微處理器

4.2 光電子學(xué)

正如第三節(jié)所提及，二維材料在于光電作用過程中將表現(xiàn)出許多迷人的特性，同時相對于塊材的復(fù)雜性，二維材料有一個維度的尺寸遠(yuǎn)小于光波長，在理論上能夠獲得較低的暗電流及噪聲，因此目前也被廣泛應(yīng)用于光(包括紫外光、可見光和紅外光)探測器，光伏器件和光調(diào)制器和激光器，及一些特殊應(yīng)用場景如寬譜光探測器、偏振響應(yīng)探測器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像傳感器等。然而技術(shù)難點也顯著存在，例如在二維材料光探測器中，雖然可以實現(xiàn)卓越的單項性能指標(biāo)，但如何在實現(xiàn)高靈敏和快速探測的同時，抑制暗電流和噪聲，仍是二維材料探測器中的難點。

4.3 催化

由于二維材料具超薄的層狀結(jié)構(gòu), 顯而易見地具有較大的比表面積、高密度的表面活性位點、以及易于界面?zhèn)鬏敽透痰臄U散路徑, 因此非常適合被用作催化劑。目前的研究領(lǐng)域包括:

4.4 儲能

二維材料因具有利于離子的嵌入和擴散的層狀結(jié)構(gòu)，同時具有豐富的表面官能團和高氧化還原反應(yīng)性，可調(diào)節(jié)的電導(dǎo)率以及結(jié)構(gòu)的靈活性，因而也被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)儲能應(yīng)用，其中又包括電池和超級電容器。

圖4. 各種各樣的二維材料已被研究用于儲能

4.5 太陽能電池

前已提及，二維材料表現(xiàn)出非常強大的與光的相互作用，獨特的電學(xué)和結(jié)構(gòu)特性，以及可控的光學(xué)帶隙結(jié)構(gòu)，因此使用少量的活性吸收材料來獲得高太陽能轉(zhuǎn)換效率是極有可能的。二維材料的結(jié)構(gòu)特性，包括層數(shù)、缺陷和摻雜、相、應(yīng)變和組分，可以極大地改變其性能，從而影響太陽能器件的整體性能。

4.6 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

2008年，研究人員發(fā)現(xiàn)石墨烯是高效的納米載體，可用于不溶于水的芳香族抗癌藥物遞送。從那時起，二維材料也被廣泛地研究用于各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用: 如藥物輸送、可穿戴/可植入設(shè)備、生物成像、診斷、治療和再生醫(yī)學(xué)，以突破傳統(tǒng)診斷的局限性。目前，得益于二維材料的獨特性質(zhì)，一些二維生物材料家族成員也被開發(fā)并作為尖端工具。例如二維材料的原子級厚度在生物基因序列檢測中具有強大的優(yōu)勢，其近紅外的高吸收性能可用于紅外光熱治療，超高比表面積有助于封裝客體小分子藥物，高原子序數(shù)使得其可作為計算掃描成像的造影劑等。

4.7 傳感器領(lǐng)域

從石墨烯開始，包括TMD在內(nèi)的二維材料如MXenes、BP、g-C₃N₄、NMDs、h-BN和過渡金屬氧化物被認(rèn)為是可以用于傳感設(shè)計的強大材料平臺。其原理也不難理解，二維材料優(yōu)良的導(dǎo)電性、高載流子濃度決定了其不僅對目標(biāo)分子具有穩(wěn)定的響應(yīng)，而且對其表面功能化又十分便捷，從而可以高效地提高傳感特性。目前結(jié)合熒光，表面增強拉曼散射(SERS)，表面等離子體共振(SPR)、FET場效應(yīng)管、電化學(xué)等技術(shù)，基于二維材料的傳感器已被用于檢測重金屬離子、有機化合物、農(nóng)藥殘留、抗生素、核酸、蛋白質(zhì)、細(xì)菌和細(xì)胞。

圖5. 用于COVID-19檢測的石墨烯FET傳感器原理圖

4.8 柔性電子

二維材料具有的柔軟同時高機械強度及高載流子遷移率的特點，使得其在柔性電子領(lǐng)域大放異彩，具體包括柔性邏輯電路，顯示器，能量存儲和轉(zhuǎn)換設(shè)備以及可穿戴醫(yī)療傳感器。然而，它們的未來很大程度上取決于塑料或彈性體基板上二維器件的材料合成和工藝加工的發(fā)展，這需要大量的科學(xué)探索和材料工程上的突破。

圖6. 皮膚上生物電子傳感系統(tǒng)的光學(xué)圖像，

包括電生理傳感器、水合作用傳感器和溫度傳感器