自2004 年石墨烯被首次從石墨中解理出來(lái)以來(lái),二維材料的研究已經(jīng)走過(guò)了18 個(gè)年頭.在這近二十年的時(shí)間里,二維材料已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)龐大的家族;這些二維材料展現(xiàn)出豐富多樣的性質(zhì),涵蓋了凝聚態(tài)物理研究的各個(gè)主要方向.更為重要的是,二維材料研究開(kāi)辟了一個(gè)材料物理研究的新范式:把一個(gè)層狀的晶體塊材減薄到單層或少層,所得到的二維材料往往會(huì)展現(xiàn)出與塊材母體完全不一樣的特性.新的物理也隨之涌現(xiàn),例如石墨烯中的狄拉克費(fèi)米子物理以及單層二維過(guò)渡金屬硫族化合物中的谷自旋物理.更進(jìn)一步,這些二維材料原則上可以像魔角雙層石墨烯一樣,通過(guò)堆疊形成異質(zhì)結(jié),成為發(fā)現(xiàn)新效應(yīng)、新物理的另一個(gè)源泉.Mounet 等人的計(jì)算表明,迄今實(shí)驗(yàn)上制備出的二維材料只是冰山的一角,理論上可以解理到單層的二維材料可能有上千種.二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究因此蘊(yùn)含著巨大的原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì).

在所有這些二維材料中,原子在層內(nèi)都是通過(guò)共價(jià)鍵和離子鍵等強(qiáng)化學(xué)鍵結(jié)合在一起,同時(shí)面外的化學(xué)鍵呈飽和狀態(tài),層與層之間僅以弱范德華力相結(jié)合.這個(gè)結(jié)構(gòu)上的共性保證了二維材料即使在單層極限下也可以保有其結(jié)構(gòu)的完整性和化學(xué)的穩(wěn)定性.“界面即器件”,二維材料本身就是一個(gè)界面,基于二維材料的半導(dǎo)體器件電場(chǎng)對(duì)溝道的調(diào)控更徹底,從而抑制納米尺度下半導(dǎo)體器件中的短溝道效應(yīng).在器件尺寸已經(jīng)微縮到納米量級(jí)的后摩爾時(shí)代,以過(guò)渡金屬硫族化合物、黑磷為代表的二維材料在極限厚度下表現(xiàn)出優(yōu)異的半導(dǎo)體特性,作為未來(lái)半導(dǎo)體器件溝道的候選材料受到廣泛關(guān)注.與此同時(shí),二維材料單層極限下的化學(xué)穩(wěn)定性也使得更多樣的調(diào)控手段成為可能.比如,近年來(lái)日益受到重視的門(mén)電極離子調(diào)控可以在1014cm–2的水平調(diào)控二維材料的電荷摻雜,從而把門(mén)電極調(diào)控的概念推廣到磁性、強(qiáng)關(guān)聯(lián)乃至高溫超導(dǎo)材料.基于這些新型調(diào)控方法的二維器件將有可能發(fā)展為新的器件原型.

從二維材料到器件再到應(yīng)用,這個(gè)鏈條上不可或缺的一環(huán)是二維材料的宏觀制備——只有在宏觀尺度下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量二維材料的可控制備,我們以上討論的二維材料的種種優(yōu)勢(shì)才有可能轉(zhuǎn)化為實(shí)際的應(yīng)用.正因如此,二維材料的宏觀制備一直是二維材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)和前沿,近年來(lái)取得了一個(gè)又一個(gè)的突破.這些突破有許多要?dú)w功于海內(nèi)外的華人物理、材料學(xué)家.他們活躍在這個(gè)前沿,做出了突出的成績(jī).

受《物理學(xué)報(bào)》編輯部委托,我邀請(qǐng)了幾位活躍在二維材料宏觀制備研究前沿的中青年學(xué)者,為中文讀者回顧總結(jié)領(lǐng)域里近年來(lái)的部分進(jìn)展.其中既包括對(duì)多種二維材料自下而上的生長(zhǎng)研究,也包括從塊材出發(fā)自上而下的大面積解理探索.組稿期間恰逢新冠疫情肆虐,作者們?cè)诜浅＠щy的情形之中完成稿件,如約賜稿,殊為不易.受水平及時(shí)間所限,本專(zhuān)題對(duì)二維材料宏觀制備領(lǐng)域的介紹難免掛一漏萬(wàn),不足之處懇請(qǐng)各位同仁不吝指正.