我國(guó)二維材料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀研究

張晴晴

摘 要：因獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，二維材料的興起開啟了新型材料研究領(lǐng)域的新篇章。本文首先對(duì)二維材料的發(fā)展、結(jié)構(gòu)性質(zhì)和分類情況進(jìn)行了簡(jiǎn)單總結(jié);其次對(duì)典型的二維材料發(fā)展現(xiàn)狀、基本性質(zhì)及應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了重點(diǎn)的分析;最后對(duì)二維材料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的現(xiàn)狀進(jìn)行概述，并就現(xiàn)在面臨的技術(shù)、成本和市場(chǎng)問題提出相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展建議，以期為二維材料的發(fā)展、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的加快提供有利的參考。

關(guān)鍵詞：二維材料;產(chǎn)業(yè)化;問題;建議

0 引言

二維材料的概念始于2004年單原子層石墨烯通過膠帶被成功從石墨中分離出來，并由此開辟了新型材料研究領(lǐng)域的篇章。二維材料是指電子只可以在兩個(gè)維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運(yùn)動(dòng)的材料[1]，擁有獨(dú)特的物理、化學(xué)、電學(xué)、光學(xué)特性，日漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

1 二維材料概述

二維材料層內(nèi)由強(qiáng)化學(xué)鍵連接，層與層之間以弱范德華力相耦合，可被剝離成為單層或者多層原子層厚的薄片材料。相比于傳統(tǒng)材料，二維材料獨(dú)特性質(zhì)包括：（1）超高的機(jī)械強(qiáng)度。二維材料抗斷裂性強(qiáng)，韌性好，易延展但不易斷裂。（2）較好的電學(xué)性質(zhì)。迄今為止已發(fā)現(xiàn)幾十種電學(xué)相關(guān)性質(zhì)各異的二維材料，涵蓋了金屬、半導(dǎo)體、絕緣體等不同的屬性，可滿足不同的應(yīng)用。（3）較高的可加工性。二維材料可通過微加工的方法制備出各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料，以達(dá)到可預(yù)期的特性。（4）結(jié)構(gòu)的各向異性。由于層內(nèi)強(qiáng)化學(xué)鍵的連接，二維材料表面結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)各向異性，如光譜吸收、導(dǎo)電率各向異性等。

隨著研究的深入，各類二維材料不斷被分離出來。按照結(jié)構(gòu)性質(zhì)的不同，主要被分為五大類：一是單原子層單質(zhì)二維材料，如石墨烯;二是過渡金屬硫?qū)倩衔?，如二硫化鉬（MoS2）;三是過渡金屬碳化物和氮化物，如二碳化三鈦（Ti3C2）等;四是有機(jī)二維材料，如金屬有機(jī)框架二維材料（MOFs）等;五是具有一些其他結(jié)構(gòu)的二維材料，如石墨烯合成的氧化石墨烯、氧化物二維材料等。

2 典型二維材料發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 石墨烯

石墨烯是目前唯一天然存在的二維材料，是已知最薄的材料。石墨烯碳原子在sp2軌道上雜化形成σ鍵，保證了平面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。多余的電子形成大π鍵，使電子可自由移動(dòng)，因此石墨烯具有超高的導(dǎo)電性[2]?；诜€(wěn)定結(jié)構(gòu)和超高導(dǎo)電性，石墨烯或成為下一代晶體管先進(jìn)研究的關(guān)鍵性材料。石墨烯還可實(shí)現(xiàn)零阻力傳導(dǎo)電子，故可用作研究非常規(guī)超導(dǎo)現(xiàn)象，有望推動(dòng)超導(dǎo)研究進(jìn)程。在力學(xué)特性上，石墨烯強(qiáng)度極高，在新型復(fù)合材料的制備、柔性電子器件研制上有天然優(yōu)勢(shì)。在光學(xué)特性上，單層石墨烯透光率高達(dá)97.7%，且可在較寬的光譜范圍實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，在光電子器件研究領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。此外，石墨烯感?yīng)環(huán)境改變時(shí)靈敏性極高，有望開啟新型傳感器研制的新時(shí)代。在化學(xué)特性上，石墨烯表面積大，經(jīng)過功能化的特殊處理后可得到某些可期的特性，在燃料電池、超級(jí)電容研發(fā)中備受青睞。在熱學(xué)特性上，石墨烯熱穩(wěn)定性強(qiáng)、導(dǎo)熱性好，能滿足系統(tǒng)高集成度、高功率的散熱需求，可推動(dòng)新型散熱薄膜研究的發(fā)展。

2.2 二硫化鉬

二硫化鉬（MoS2）為過渡金屬硫化物，是由兩個(gè)硫原子和一個(gè)鉬原子組成的片層狀堆積結(jié)構(gòu)，層間通過范德華力結(jié)合在一起，可分離為單層或少層，硫和鉬原子間有較強(qiáng)的共價(jià)鍵，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

在光電特性上，MoS2帶隙結(jié)構(gòu)可控，隨著原子層數(shù)的不同，其帶隙類型、電子躍遷方式以及熒光發(fā)射和吸收均不同，光電特性也不同，因此在低功耗開關(guān)、光電器件上應(yīng)用廣泛。在化學(xué)特性上，MoS2比表面積大，特有的電化學(xué)性質(zhì)有利于氣體的吸收，且在吸收不同氣體分子時(shí)導(dǎo)電性能不同，在傳感器研究方面有很大的應(yīng)用空間。在機(jī)械性能上，MoS2楊氏模量和機(jī)械強(qiáng)度均很高，在一定程度上為最佳的柔性電子材料。在結(jié)構(gòu)特性上，MoS2為類石墨烯層狀結(jié)構(gòu)材料，可修飾性強(qiáng)、物相容性高，近年在生物傳感分析和醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)檢測(cè)領(lǐng)域得到了相對(duì)廣泛的應(yīng)用，如：MoS2作為DNA傳感檢測(cè)材料取得了很好的實(shí)用性效果[3]。

2.3 磷烯

磷烯是一種P型類石墨烯的二維材料。磷烯層內(nèi)原子由sp3雜化并通過共價(jià)鍵連接，層間由弱范德華力結(jié)合，難溶于有機(jī)溶劑，不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

在電學(xué)性質(zhì)上，磷烯有超高的載流子遷移率，同時(shí)具有直接帶隙性質(zhì)且可調(diào)范圍比較大并隨外部應(yīng)力的改變而變化，可以利用磷烯層數(shù)以及外部應(yīng)力大小的不同來調(diào)節(jié)其帶隙以滿足實(shí)際應(yīng)用，特有的電學(xué)性質(zhì)使磷烯在微波通信和場(chǎng)效應(yīng)晶體管等電子學(xué)器件方面的應(yīng)用較為廣泛。在光學(xué)性質(zhì)上，磷烯與光耦合后可直接從非導(dǎo)體變?yōu)閷?dǎo)電體，且光響應(yīng)波段范圍較大，因此磷烯在光學(xué)通信、熱成像、醫(yī)藥應(yīng)用等多種領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用潛力。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磷烯在1～5μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)光傳導(dǎo)效率比較高，這說明磷烯在近紅外和中紅外的光電器件領(lǐng)域有應(yīng)用前景。在化學(xué)性質(zhì)上，磷烯極易氧化，空氣環(huán)境中無(wú)法直接應(yīng)用，但可通過摻雜等特殊工藝處理后得到正常環(huán)境下可穩(wěn)定使用且性能有所提升的材料，如磷烯和碳納米管的復(fù)合材料具有更好的力學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，并在二次電池負(fù)極材料和超級(jí)電容中得到廣泛的應(yīng)用。

2.4 六方氮化硼

六方氮化硼（h-BN）是由硼原子和氮原子sp2雜化成的六元環(huán)狀類石墨二維材料。h-BN層內(nèi)由強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合，層間通過弱范德華力連接，間距大，易滑動(dòng)，具有各向異性。

在熱學(xué)性質(zhì)上，h-BN導(dǎo)熱性能好，耐熱性強(qiáng)，空氣中使用溫度為900℃，一個(gè)氮?dú)鈮合?，可?000℃的高溫。同時(shí)，h-BN單向?qū)嵝詮?qiáng)且熱導(dǎo)率隨溫度的升高變化較小，500℃以上時(shí)，熱導(dǎo)率在相應(yīng)材料中最高且具有良好的抗熱震性能，因此，h-BN在耐高溫材料制備中被廣泛的應(yīng)用[4]。在電學(xué)性質(zhì)上，h-BN無(wú)自由電子，是很好的高溫絕緣材料，廣泛應(yīng)用在航天器燃燒室襯里、保護(hù)套及熱屏蔽材料中。在超低溫時(shí)，h-BN輸出特性良好，可用于制作靈敏度高、響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高的光電探測(cè)器等光電子器件。在光學(xué)性質(zhì)上，h-BN光透過率較強(qiáng)，加之相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，是雷達(dá)窗口材料以及戰(zhàn)機(jī)隱身材料的首選。

3 二維材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展分析

3.1 產(chǎn)業(yè)化概況

二維材料自發(fā)現(xiàn)之初就受到了廣泛的關(guān)注，在傳統(tǒng)和新興領(lǐng)域都表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。在國(guó)家政策大力支持下，我國(guó)二維材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)迅猛，市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年，僅石墨烯產(chǎn)業(yè)便可達(dá)到百億的規(guī)模。從產(chǎn)業(yè)鏈布局看，從二維材料的制備到應(yīng)用研究、產(chǎn)品生產(chǎn)，再到下游應(yīng)用的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，我國(guó)基本已覆蓋完全。從產(chǎn)業(yè)分布來看，我國(guó)已經(jīng)基本形成以首都為核心、東部沿海城市為聚集區(qū)、全國(guó)多地呈點(diǎn)狀分布的產(chǎn)業(yè)布局。從應(yīng)用領(lǐng)域看，二維材料的應(yīng)用涵蓋了新能源、光伏發(fā)電、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。從產(chǎn)業(yè)進(jìn)程看，未來20年內(nèi)，我國(guó)將實(shí)現(xiàn)二維材料從實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，并有望支撐傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)換代。

3.2 產(chǎn)業(yè)化發(fā)展面臨問題

二維材料產(chǎn)業(yè)化面臨的諸多問題不容忽視，一是技術(shù)問題，二是成本問題，三是市場(chǎng)問題。在技術(shù)上，如何規(guī)?；闹苽涑龀杀镜土①|(zhì)量?jī)?yōu)秀、環(huán)境友好的二維材料仍是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在成本上，二維材料制備以及應(yīng)用到產(chǎn)品上的成本相對(duì)高昂，這在很大程度上制約了產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。在市場(chǎng)上，目前為止，我國(guó)二維材料仍處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的初期，尚未建立起比較完整的大規(guī)模應(yīng)用市場(chǎng)。

3.3 產(chǎn)業(yè)化發(fā)展建議

為推動(dòng)二維材料產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，真正體現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值，需有針對(duì)性地解決重點(diǎn)問題，相關(guān)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展建議如下：

第一，產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同發(fā)展。學(xué)校、科研院所、企業(yè)等要實(shí)現(xiàn)緊密的融合發(fā)展，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。學(xué)?？蒲性核鶓?yīng)將科研成果及時(shí)運(yùn)用到企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中，與此同時(shí)，企業(yè)對(duì)新成果加以應(yīng)用并給予學(xué)校科研院所及時(shí)、動(dòng)態(tài)的反饋以及技術(shù)改良意見，這既提升了產(chǎn)業(yè)化效率又降低了成果轉(zhuǎn)化成本，更有利于技術(shù)的發(fā)展。第二，開展重大工程項(xiàng)目以帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。政府要在一定程度上加以引導(dǎo)，圍繞我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展需求，整合全國(guó)性的優(yōu)勢(shì)資源開展有影響力的重大科技項(xiàng)目，以此來提高二維材料產(chǎn)業(yè)相關(guān)的自主研發(fā)和科技創(chuàng)新水平。第三，培育龍頭企業(yè)。選擇一批發(fā)展態(tài)勢(shì)良好、技術(shù)過硬的代表性企業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)扶持。支持優(yōu)勢(shì)企業(yè)的兼并重組、技術(shù)轉(zhuǎn)讓，使二維材料企業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展更加集中。第四，要建立以市場(chǎng)為主導(dǎo)的創(chuàng)新和應(yīng)用方向選擇機(jī)制，以推動(dòng)二維材料大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用的發(fā)展。第五，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境。加強(qiáng)二維材料知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)及前瞻性的建設(shè)布局，進(jìn)一步建立和完善二維材料全產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系，為二維材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?fàn)I造一個(gè)良好的環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過十幾年的發(fā)展，二維材料在各科技領(lǐng)域的關(guān)注度越來越高，產(chǎn)業(yè)化前景備受青睞。但從新興材料到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過程中，二維材料依然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。為加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，使我國(guó)二維材料產(chǎn)業(yè)在全球化進(jìn)程中占據(jù)核心技術(shù)話語(yǔ)權(quán)，需要基礎(chǔ)研究界、產(chǎn)業(yè)界、企業(yè)界以及政府各相關(guān)部門的緊密配合，才能形成有中國(guó)特色符合中國(guó)二維材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的發(fā)展路線。

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