二維量子片及其光學(xué)研究進(jìn)展

陳哲學(xué)，王衛(wèi)彪，梁 程，張 勇

（1. 國(guó)家納米科學(xué)中心 中國(guó)科學(xué)院納米系統(tǒng)與多級(jí)次制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)科學(xué)院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，北京 100190；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）? 共同貢獻(xiàn)作者

1 引 言

2004 年，Geim 和Novoselov 首次從石墨中（微）機(jī)械剝離出石墨烯（Graphene）[1]，從而開辟了二維材料研究和應(yīng)用的嶄新時(shí)代。隨后相繼發(fā)現(xiàn)了六方氮化硼（h-BN）、過(guò)渡金屬二硫族化合物（TMD），過(guò)渡金屬碳/氮化物（MXene）等二維材料[2-4]。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)搜索，人們能夠找到800 多種本體層狀材料，理論上可以從中剝離出穩(wěn)定的單層結(jié)構(gòu)[5]。二維材料特殊的結(jié)構(gòu)賦予了它卓越的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)性能，可作為優(yōu)異的導(dǎo)熱材料、耐高溫材料、潤(rùn)滑材料、催化材料、儲(chǔ)能材料、絕緣材料、防護(hù)材料、光電轉(zhuǎn)換材料、可飽和吸收體等[3,6-13]。機(jī)械剝離、化學(xué)氣相沉積（CVD）、外延生長(zhǎng)、球磨、超聲/液相剝離、插層、模板輔助合成、溶劑熱/水熱等[14-20]已廣泛用于二維材料的制備。盡管制備方法種類繁多，不過(guò)始終面臨著無(wú)法同時(shí)兼顧本征、普適和規(guī)模等方面的巨大難題。

在二維材料研究和應(yīng)用過(guò)程中，一方面，人們致力于獲得橫向尺寸更大的高質(zhì)量二維材料[16,21]，以充分發(fā)揮二維材料的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢(shì)。如Liu 等人[22]在銅箔上通過(guò)外延生長(zhǎng)技術(shù)制備了100cm2的單晶六方氮化硼；另一方面，人們不斷嘗試減小二維材料的橫向尺寸，以逐漸顯露其量子限域和邊緣效應(yīng)。本課題組[23]近期開辟了一條普適性的路徑，利用硅球輔助球磨結(jié)合超聲輔助溶劑剝離獲得了橫向尺寸小于5 nm，厚度小于1 nm 的二維量子片（2D QSs）。創(chuàng)新性地將納米硅球引入到球磨體系，由于硅球和瑪瑙球的化學(xué)組成、密度、硬度等十分相似，由此構(gòu)建了一套理想的二元協(xié)同球磨體系，進(jìn)而通過(guò)全物理的方式首次實(shí)現(xiàn)了二維量子片的本征、普適和規(guī)模制備。

二維量子片因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)已在諸多領(lǐng)域嶄露頭角，如催化、能源、生物成像、癌癥治療、非線性光學(xué)等[24-28]。由于具有強(qiáng)烈的量子限域和突出的邊緣效應(yīng)，二維量子片的研究和應(yīng)用逐漸受到重視。本文介紹了二維量子片的基本概念、制備現(xiàn)狀以及在光學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，特別回顧了近年來(lái)二維量子片在光致發(fā)光、非線性光學(xué)和固態(tài)發(fā)光器件等方面的重要進(jìn)展，并且分析了二維量子片在光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展前景以及面臨的主要挑戰(zhàn)。

2 二維量子片

量子片（quantum sheet）一詞最早出現(xiàn)在一篇德國(guó)科學(xué)家報(bào)道的文獻(xiàn)中[29]，而與量子片一詞最為接近的是二維量子點(diǎn)（2D quantum dot），最早出現(xiàn)在一篇英國(guó)科學(xué)家報(bào)道的文獻(xiàn)中[30]。由于材料發(fā)展和制備技術(shù)的時(shí)代限制，量子片當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起廣泛的關(guān)注。二維材料的出現(xiàn)為量子片的發(fā)展提供了不可多得的材料基礎(chǔ)，不過(guò)本征、普適和規(guī)模制備方法的缺失，使得二維材料量子片的發(fā)展仍然極其緩慢。通過(guò)文獻(xiàn)檢索，不難發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有研究普遍熱衷于采用化學(xué)方法或化學(xué)/電化學(xué)前期處理獲得追求的（二維材料）量子點(diǎn)而非真正的量子片，這顯然不利于本征量子片的研發(fā)及其極限性能的探索。

這里需要重申一下二維（材料）量子片的概念。二維量子片作為二維材料和量子體系不斷發(fā)展和交叉的產(chǎn)物（圖1（a））[31]，其橫向尺寸一般小于20nm，厚度通常在10 層以下。本文對(duì)量子片概念進(jìn)行了全新解析[31]，首先，量子片概念不限于層狀材料，非層狀材料同樣適用。其次，量子片概念同時(shí)包含幾何結(jié)構(gòu)和量子特性，例如，從幾何結(jié)構(gòu)來(lái)講，量子片為二維量子尺度材料；從量子特性來(lái)講，量子片同時(shí)具有面外和面內(nèi)量子限域效應(yīng)，而且為面外/面內(nèi)各向異性。顯然，二維量子片不僅保留了二維材料的本征特性，而且具有強(qiáng)烈的面外和面內(nèi)量子限域效應(yīng)以及突出的邊緣效應(yīng)。

二維量子片的研究和應(yīng)用尚處于起步階段，大多數(shù)集中于石墨烯量子片，而對(duì)其他量子片的關(guān)注相對(duì)較少（圖1（b））[4]。不過(guò)，二維量子片的獨(dú)特結(jié)構(gòu)以及全新性質(zhì)，使得它在諸多領(lǐng)域有著潛在應(yīng)用價(jià)值（如圖1（c））[24-28]。

圖1 （a）量子片所處體系的示意圖[31]；（b）二維量子片的文章發(fā)表數(shù)目（2007—2016）[4]；（c）二維量子片的應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)藥[24]，生物成像[25]，催化[26]，太陽(yáng)能電池[27]，非線性光學(xué)[28]等。（b）轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[4]，版權(quán)所有（2018）皇家化學(xué)學(xué)會(huì)。(c) 轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[24]，版權(quán)所有（2018）施普林格；轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[25]，版權(quán)所有（2018）施普林格；轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[26]，版權(quán)所有（2016）自然出版集團(tuán)；轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[27]，版權(quán)所有（2018）施普林格；轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[28]，版權(quán)所有（2020）美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)Fig. 1 (a) Schematic diagram of the system in which the quantum sheet is located[31]；(b) number of journal publications on 2D QSs from 2007to 2016[4]；(c) application fields of 2D QSs：medicine[24], biological imaging[25]，catalysis[26]，solar cell[27]，nonlinear optics[28]，etc. (b) Adapted with permission ref. [4]. Copyright 2018, Royal Society of Chemistry; (c) Reproduced with permission ref. [24]. Copyright 2018, Springer. Reproduced with permission ref. [25]. Copyright 2018,Springer; Reproduced with permission ref. [26]. Copyright 2016, Nature Publishing Group; Reproduced with permission ref. [27]. Copyright 2018, Springer; Reproduced with permission ref. [28]. Copyright 2020, American Chemical Society.

2.1 石墨烯量子片（GQSs）

石墨烯是一種單原子層厚度的蜂窩狀全碳二維材料（圖2（a））[32]，具有獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，其電子遷移率最高，然而零帶隙的石墨烯限制了其在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用。當(dāng)石墨烯的橫向尺寸減小至20nm 以下時(shí)（GQSs），帶隙逐漸打開，從而獲得可調(diào)的光致發(fā)光性質(zhì)[33]。

2.2 氮化硼量子片（BNQSs）

氮化硼與石墨烯晶體結(jié)構(gòu)極為類似（圖2（b）），由等量氮原子和硼原子通過(guò)共價(jià)鍵組成六角網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。與BN 納米片相比，BNQSs 的報(bào)道要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于預(yù)期[34]。BNQSs 除了具有氮化硼本征性質(zhì)，如良好的電絕緣性、高溫穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、低毒性和化學(xué)穩(wěn)定性，還具有量子尺度下的各種新奇特性。

2.3 過(guò)渡金屬二硫族化合物量子片（TMD QSs）

過(guò)渡金屬二硫族化合物是一類發(fā)展迅速的二維材料，在單層TMD 晶體中，一層過(guò)渡金屬原子夾在兩層硫族原子之間。TMD 的帶隙隨著層數(shù)的減少而變得連續(xù)可調(diào)，如二硫化鉬（MoS2）（圖2（c）），可以通過(guò)控制其層數(shù)調(diào)節(jié)禁帶寬度，當(dāng)為單層時(shí)，MoS2將從間接帶隙材料轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋恫牧蟍35]，這對(duì)設(shè)計(jì)新型發(fā)光二極管、光電探測(cè)器、太陽(yáng)能電池具有重要指導(dǎo)意義[36]。單層二硫化鉬具有強(qiáng)烈的光致發(fā)光特性，其量子產(chǎn)率（QY）是本體材料的104倍[37]。在量子尺度，MoS2QSs 又會(huì)產(chǎn)生新的光學(xué)性質(zhì)，其中在非線性光學(xué)領(lǐng)域有著誘人的應(yīng)用前景[38]。

2.4 其他新型量子片

由于與碳同族，硅烯和鍺烯的量子片也引起了人們的注意，然而相關(guān)的研究?jī)H限于理論階段[39]。黑磷（BP）同樣是單元素二維材料（圖2（f）），其帶隙具有典型的層數(shù)依賴性，而且BP 具有較高的載流子遷移率和靈敏的光電子響應(yīng)，有望用于晶體管和光電探測(cè)器等領(lǐng)域[6,40,41]。其他二維量子片，如過(guò)渡金屬氧化物量子片（TMO QSs）[42,43]， MXene QSs[2,44]，硫化銦量子片（In2S3QSs）[45]，硒化銦量子片（InSe QSs）[46]，砷化銦量子片（InAs QSs）[47]等亟待人們深入研究。圖2(d)、2(e)分別為硒化銦、氮化碳的原子結(jié)構(gòu)。

圖2 二維材料的原子結(jié)構(gòu)。（a）石墨烯[3]；（b）氮化硼[3]；（c）二硫化鉬[48]；（d）硒化銦[49]；（e）氮化碳[50]；（f）黑磷[41]。(a) 和（b）轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[3]，版權(quán)所有（2017）美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)；(c) 轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[48]，版權(quán)所有（2011）自然出版集團(tuán)；(d) 轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[49]，版權(quán)所有（2017）自然出版集團(tuán)；(e) 轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[50]，版權(quán)所有（2017）皇家化學(xué)學(xué)會(huì)；(f) 轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[41]，版權(quán)所有（2014）自然出版集團(tuán)Fig. 2Atomic structures of 2D materials. (a) Graphene[3]; (b) BN[3]; (c) MoS2[48]; (d) InSe[49]; (e) C3N4[50]; (f) BP[41]. (a) and (b)Adapted with permission ref. [3]. Copyright 2017, American Chemical Society. (c) Adapted with permission ref. [48].Copyright 2011, Nature Publishing Group. (d) Adapted with permission ref. [49]. Copyright 2017, Nature Publishing Group. (e) Adapted with permission ref. [50]. Copyright 2017, Royal Society of Chemistry. (f) Adapted with permission ref. [41]. Copyright 2014, Nature Publishing Group.

3 二維量子片的制備現(xiàn)狀

二維材料的結(jié)構(gòu)特殊，面內(nèi)為強(qiáng)的化學(xué)鍵連接，層間靠弱的范德瓦耳斯力維系。近年來(lái)，諸多方法已經(jīng)應(yīng)用到制備二維量子片中。制備方法大體分為 “自下而上（Bottom-up）”和“自上而下（Top-down）”兩類（圖3，彩圖見期刊電子版）。

“自下而上”法通常是利用各種前驅(qū)體在化學(xué)或物理作用下生成量子片，如CVD[16]，水熱/溶劑熱[17]，濕化學(xué)法[51]，溶膠凝膠法[52]等。這些方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以精確地控制量子片的尺寸、形貌和進(jìn)行表面功能化。Ma 等人[33]通過(guò)氧化石墨烯（GO）在紫外線照射下和次氯酸鈉反應(yīng)生成GQSs，收率達(dá)到78%。該方法得到的GQSs 表現(xiàn)出了強(qiáng)的熒光發(fā)射行為。Leong 等人[35]利用過(guò)渡金屬氧/氯化物和硫的前體在溫和的水溶液條件下合成TMD QSs（圖3（b）），包括MoS2、WS2、RuS2、MoTe2、MoSe2、WSe2和RuSe2，其反應(yīng)幾乎在瞬間（大約10～20s）達(dá)到平衡。當(dāng)然，“自下而上”的方法存在諸多局限性，如反應(yīng)條件嚴(yán)苛，程序復(fù)雜，過(guò)程中容易被化學(xué)修飾，無(wú)法大規(guī)模生產(chǎn)等。

“自上而下”法是從其本體材料出發(fā)，破壞其面內(nèi)的化學(xué)鍵和層間的范德瓦耳斯力獲得量子片。如液相剝離[18]，電化學(xué)剝離[53,54]，球磨[19]，化學(xué)刻蝕[55]，離子插層[20]等。He 等人[56]通過(guò)化學(xué)剝離的方法制備高產(chǎn)量、單層、直徑為4～8 nm 的FePS3QSs。首先通過(guò)將本體FePS3和N2H4在水熱條件下進(jìn)行插層反應(yīng)，然后通過(guò)超聲剝離得到FePS3QSs。然而該方法僅適用于面內(nèi)斷裂強(qiáng)度較小的二維材料，且須考慮尋找合適的溶劑。常規(guī)的液相剝離能夠破壞二維材料的層間作用力但很難破壞面內(nèi)的化學(xué)鍵。即便使用高能球磨，其極限尺寸也只是百納米級(jí)。這嚴(yán)重限制了二維量子片的制備，因而需要發(fā)展一種簡(jiǎn)單有效的方法實(shí)現(xiàn)二維量子片的普適和規(guī)模制備。

本文重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)通過(guò)物理手段來(lái)獲得本征狀態(tài)的二維量子片，包括機(jī)械剝離、手工研磨、球磨、液相剝離、液氮/回流預(yù)處理、超薄切片等技術(shù)或手段[23,57-63]。本征狀態(tài)為原始/初始狀態(tài)，其內(nèi)部為單晶品質(zhì)，無(wú)缺陷，無(wú)摻雜；邊緣完全裸露，無(wú)覆蓋，無(wú)配體，無(wú)官能化。這使得本征量子片能夠同時(shí)表達(dá)其量子限域效應(yīng)和突出的邊緣效應(yīng)，進(jìn)而展現(xiàn)出非凡的光學(xué)、催化等性質(zhì)。南洋理工大學(xué)張華課題組采用（濕法）手工研磨與超聲剝離成功制備了一系列過(guò)渡金屬二硫族化合物量子片[62]（圖3（d）），不過(guò)產(chǎn)率極低（低于1 wt%）。萊斯大學(xué)Ajayan 和合肥工業(yè)大學(xué)吳玉程等人利用液氮/回流預(yù)處理和超聲剝離（圖3(e)～3(f)）制備了各種二維量子片[57,63]，液氮/回流預(yù)處理后能夠減弱層間范德瓦耳斯力，產(chǎn)生細(xì)小的裂紋，在后續(xù)的超聲中剝離出量子片，但產(chǎn)率（約為1 wt%）和分散濃度（約為0.028 7mg/mL）都極低。中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所鄭健等人利用超薄切片和超聲剝離（圖3（g））制備了高質(zhì)量單層單晶二維量子片[59]，不過(guò)所用本體層狀材料須為大塊單晶。顯然，這些方法雖適于制備本征狀態(tài)的二維量子片，卻未能同時(shí)兼顧普適和規(guī)模。

圖3 二維量子片的制備方法。自下而上：（a）化學(xué)氣相沉積[66]；（b）濕化學(xué)法[35]。自上而下：（c）電化學(xué)剝離[54]；（d）研磨結(jié)合超聲剝離[62]；（e）液氮預(yù)處理和超聲剝離[57]；（f）回流預(yù)處理和超聲剝離[63]；（g）超薄切片結(jié)合液相剝離[59]。(a) 轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[66]，版權(quán)所有（2016）美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)；(b)轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[35]，版權(quán)所有（2019）自然出版集團(tuán)；(c) 轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[54]，版權(quán)所有（2015）皇家化學(xué)學(xué)會(huì)。(d) 轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[62]，版權(quán)所有（2015）威立出版集團(tuán)；（e）轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[57]，版權(quán)所有（2017）美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)；（f）轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[63]，版權(quán)所有（2019）愛思唯爾；（g）轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[59]，版權(quán)所有（2020）施普林格Fig. 3 The preparation methods of 2D QSs. Bottom-up: (a) CVD [66]; (b) wet chemical method[35]. Top-down: (c) electrochemical exfoliation[54]; (d) grinding combined with sonication exfoliation[62]; (e) liquid nitrogen pretreatment combined with sonication exfoliation[57]; (f) reflux pretreatment combined with sonication exfoliation[63]; (g) ultrathin section combined with liquid phase dissection[59]. (a) Reproduced with permission ref. [66]. Copyright 2016, American Chemical Society; (b) adapted with permission ref. [35]. Copyright 2019, Nature Publishing Group; (c) reproduced with permission ref. [54]. Copyright 2015, Royal Society of Chemistry; (d) reproduced with permission ref. [62]. Copyright 2015,Wiley-VCH; (e) reproduced with permission ref. [57]. Copyright 2017, AAAS; (f) adapted with permission ref. [63].Copyright 2019, Elsevier; (g) reproduced with permission ref. [59]. Copyright 2020, Springer.

本課題組近期先后開發(fā)出狹義[60]和廣義[23]的二維材料量子片制備方法，成為國(guó)際上第一個(gè)也是唯一一個(gè)成功實(shí)現(xiàn)二維量子片的本征、普適和規(guī)模制備的研究小組。狹義和廣義方法均采用球磨和超聲相結(jié)合的全物理方式，均由未經(jīng)任何處理的本體層狀材料出發(fā)，所得均為本征、無(wú)缺陷二維量子片（本征特性（無(wú)摻雜、無(wú)配體等）、單晶品質(zhì)）。我們深刻意識(shí)到球磨過(guò)程中力矩和壓強(qiáng)的決定作用，對(duì)球磨方法進(jìn)行了全新變革，將球磨極限推進(jìn)到前所未有的水平（見圖4，彩圖見期刊電子版）。狹義和廣義方法分別采用了鹽輔助球磨（圖4（a））和硅球輔助球磨（圖4（c）），簡(jiǎn)單球磨是無(wú)效的。我們提出了制備機(jī)理（圖4（b）），認(rèn)為球磨貢獻(xiàn)是決定性的。在狹義和廣義方法中，鹽微晶粒和納米硅球分別充當(dāng)了力的（傳遞）載體角色，而納米硅球相對(duì)于鹽微晶粒具有更大優(yōu)勢(shì)，如結(jié)構(gòu)/幾何穩(wěn)定、空間分辨率高、受力均勻、壓強(qiáng)極大等。在廣義方法中，我們首次提出了（硅球和瑪瑙球）二元協(xié)同球磨效應(yīng)。這種全新球磨方法可以在低能狀態(tài)下產(chǎn)生極大壓強(qiáng)（最大超過(guò)1 000GPa），從而高效打斷任何化學(xué)鍵[31]，規(guī)模制備出量子尺度材料[23,64,65]。例如，我們以極高（單次循環(huán)）產(chǎn)率（高于30wt%）制備出GQSs、BNQSs、MoS2QSs 等。所得量子片平均（橫向）尺寸為2～3 nm，厚度1?2 層（圖4（d））。通過(guò)簡(jiǎn)單的沉淀/離心操作即可實(shí)現(xiàn)量子片粉末的高效收集（圖4（d）），而且（粉末狀態(tài)）量子片可在多種溶劑中良好分散，分散濃度極高（最高可達(dá)5 mg/mL），為其溶液加工帶來(lái)了極大便利。在廣義方法的基礎(chǔ)上，我們成功實(shí)現(xiàn)了（本征）曲率量子片的規(guī)模制備（圖4（e））[64]以及二維納米片的全尺寸（1～100nm）可控制備[65]。這種本征、普適和規(guī)模制備方法的建立，使得在相同協(xié)議/標(biāo)準(zhǔn)上建設(shè)二維量子片完整數(shù)據(jù)庫(kù)/圖書館成為可能，勢(shì)必會(huì)加速二維量子片的全面和細(xì)致探索，為系統(tǒng)深入研究二維量子片的全新物理提供了可靠平臺(tái)，同時(shí)為其工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用鋪平了道路[31]。

圖4 二維量子片的本征、普適和規(guī)模制備。（a）鹽輔助球磨和超聲輔助溶劑剝離[60]；（b）量子片的制備機(jī)理示意圖[60]；（c）硅球輔助球磨和超聲輔助溶劑剝離[23]；（d）量子片分散液和粉體照片及對(duì)應(yīng)的高分辨透射電鏡照片[23]；（e）從多壁碳納米管制備石墨烯量子片[64]。（a-b）轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[60]，版權(quán)所有（2017）美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)；（c-d）轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[23]，版權(quán)所有（2019）皇家化學(xué)學(xué)會(huì)；（e）轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[64]，版權(quán)所有（2020）美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)Fig. 4 Universal and scalable production of intrinsic 2D QSs. (a) Salt-assisted ball-milling and sonication-assisted solvent exfoliation[60]; (b) schematic diagram of the fabrication mechanism of 2D QSs[60]; (c) silica-assisted ball-milling and sonication-assisted solvent exfoliation[23]; (d) photographs of the QS dispersions and powders and their HRTEM images;(e) robust strategy for tailoring multi-walled carbon nanotubes into GQSs[64]. (a-b) Reproduced with permission ref.[60]. Copyright 2017, American Chemical Society; (c-d) Reproduced with permission ref. [23]. Copyright 2019, Royal Society of Chemistry; (e) Reproduced with permission ref. [64]. Copyright 2020, American Chemical Society.

4 二維量子片的光學(xué)性能與應(yīng)用

二維量子片具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、分散性、光學(xué)性能、生物相容性，易功能化等優(yōu)點(diǎn)[4,66]，因而引起了人們極大的研究興趣。二維量子片還具有從深紫外到近紅外的發(fā)射波長(zhǎng)多樣性，可調(diào)諧性和寬帶發(fā)射的性質(zhì)[67]。而這些性質(zhì)是由量子片的量子限域效應(yīng)、表面效應(yīng)和邊緣效應(yīng)所決定的。此外，二維量子片的晶格破缺為其光學(xué)、化學(xué)、電子活性增加了一個(gè)額外的維度[35]。

4.1 二維量子片的光致發(fā)光性質(zhì)

光致發(fā)光（PL）是二維量子片的一個(gè)重要的性質(zhì)，許多模型被相繼提出來(lái)解釋PL 機(jī)制，包括尺寸主導(dǎo)的量子限域效應(yīng)[68]、晶格缺陷[69]和邊緣效應(yīng)[70]等。二維量子片的熒光性質(zhì)是由內(nèi)部本征熒光和表面缺陷熒光的相互作用決定的，前者來(lái)自于量子限域、邊緣效應(yīng)和局域電子空穴對(duì)的輻射耦合，而后者則是由化學(xué)基團(tuán)、元素?fù)诫s和表面缺陷的狀態(tài)引發(fā)的[71-73]。二維量子片的光致發(fā)光性能理論和測(cè)試結(jié)果見圖5（彩圖見期刊電子版）。通過(guò)密度泛函理論(DFT) 計(jì)算，證實(shí)了GQSs 熒光特性對(duì)尺寸依賴的現(xiàn)象。隨著直徑從0.46 nm 到2.31 nm 逐漸增大，GQSs 發(fā)射出從紫外(帶隙為6.81 eV)到紅外(帶隙為1.64 eV)的連續(xù)光譜（圖5(a)）[74]。Rhee和Lee 等人通過(guò)控制反應(yīng)物的濃度實(shí)現(xiàn)不同尺寸GQSs 的可控制備，帶隙隨著GQSs 尺寸的增大逐漸減小，呈現(xiàn)出從藍(lán)色到棕色的光致發(fā)光行為（圖5(b)）[75]。

二維量子片的PL 性能受多種因素調(diào)控。官能團(tuán)修飾是改變材料熒光性能的重要手段，通過(guò)不同官能團(tuán)的修飾調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)可見光譜的全面覆蓋提供了依據(jù)[76]。Seo 等人[20]通過(guò)鋰離子插層制備出MoS2QSs，展示了其作為熒光標(biāo)記的功能，并且在特定體系中能發(fā)揮供體和受體雙重作用，僅單調(diào)地改變修飾的官能團(tuán)就可以調(diào)節(jié)其光致發(fā)光行為[77]。摻雜、內(nèi)部缺陷導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)扭曲都可能破壞本征二維量子片的電子空穴對(duì)稱性，進(jìn)而影響其PL 性能[78,79]。如圖5(c)，氮元素?fù)诫s的氧化石墨烯量子片表現(xiàn)出了P 型和N 型導(dǎo)電性[80]。Saitow 等人[81]在室溫下使用納秒脈沖激光燒蝕合成了含有1% 的硫空位的MoS2QSs，顯示出了高量子產(chǎn)率和優(yōu)異的藍(lán)色光致發(fā)光特性。二維量子片的PL 性能還受所處環(huán)境的影響（如溶劑、pH、金屬離子等）[82,83]。Wang等人[83]用堿金屬插層和液相剝離的方法制備的MoS2QSs 具有pH 響應(yīng)的光學(xué)性質(zhì)，GQSs 的發(fā)射光譜隨著pH 的增大發(fā)生紅移，這種現(xiàn)象是不同的pH 環(huán)境下量子片與周圍官能團(tuán)共同作用的結(jié)果。

二維量子片的PL 行為通常表現(xiàn)出激發(fā)波長(zhǎng)依賴性（圖5（d）～5（f）），濃度依賴性（圖5（g））和溶劑依賴性（圖5（h））。我們對(duì)基于廣義方法制備的三種本征狀態(tài)二維量子片的PL 行為進(jìn)行了詳細(xì)表征[23]。激發(fā)波長(zhǎng)依賴性可能與量子片的尺寸分布有關(guān)。而濃度依賴性十分有趣。對(duì)于GQSs 和MoS2QSs，隨著量子片分散濃度的增大，熒光強(qiáng)度出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，這種濃度引起的PL 淬滅一般認(rèn)為是聚集誘導(dǎo)淬滅（ACQ）引起的。同時(shí)，這種濃度淬滅效應(yīng)是帶隙熒光機(jī)制的一個(gè)有力證據(jù)，這兩種機(jī)制都促進(jìn)了激發(fā)態(tài)的非輻射躍遷，導(dǎo)致了熒光淬滅。值得注意的是，BNQSs 的熒光-濃度依賴性有所不同[23]，它的熒光強(qiáng)度隨著量子片分散濃度的增大而顯著增強(qiáng)，與聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）現(xiàn)象相似，但是考慮到BNQSs 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將這種現(xiàn)象歸因于邊緣誘導(dǎo)熒光。隨著氮化硼量子片分散濃度的增大，量子片之間的距離逐漸減小，相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致量子片與溶劑之間的相互作用變?nèi)?，向溶劑中轉(zhuǎn)移的電荷減少，從而導(dǎo)致了熒光增強(qiáng)。上述熒光機(jī)理同樣在二維量子片的復(fù)合薄膜體系得以體現(xiàn)，如圖5（i）展示的一系列量子片-PMMA復(fù)合薄膜具有優(yōu)越的固態(tài)熒光現(xiàn)象，復(fù)合薄膜的熒光-質(zhì)量分?jǐn)?shù)依賴性與分散液的熒光-濃度依賴性相似[23]。另外，溶劑依賴性（圖5（h））非常獨(dú)特：在質(zhì)子性溶劑（H2O、EtOH 等）中，熒光強(qiáng)度極弱；而在非質(zhì)子性溶劑（THF、NMP 等）中，熒光強(qiáng)度極強(qiáng)?？紤]到三種本征量子片均帶有負(fù)電荷（水體系z(mì)eta電勢(shì)均為負(fù)值）[23]，因此其與質(zhì)子性和非質(zhì)子性溶劑的直接相互作用強(qiáng)弱不同，從而導(dǎo)致在質(zhì)子性溶劑中，（激發(fā)態(tài)到基態(tài)）非輻射衰減占據(jù)優(yōu)勢(shì)，而在非質(zhì)子性溶劑中，（激發(fā)態(tài)到基態(tài)）熒光發(fā)射占據(jù)優(yōu)勢(shì)。這里需要說(shuō)明的是，采用化學(xué)方法或化學(xué)/電化學(xué)前期處理等獲得的非本征量子片，可能與傳統(tǒng)的二維材料以及經(jīng)典的膠體量子點(diǎn)一樣，均無(wú)法充分實(shí)現(xiàn)本征邊緣/表面與溶劑的直接相互作用，從而導(dǎo)致溶劑依賴性明顯減弱。而且，非本征量子片、傳統(tǒng)二維材料與經(jīng)典量子點(diǎn)，可能均缺乏足夠的邊緣-邊緣（或表面-表面）相互作用，從而導(dǎo)致濃度依賴性與本征量子片不同，類似AIE 現(xiàn)象更罕見。

圖5 二維量子片的光致發(fā)光性能。（a）發(fā)射波長(zhǎng)(nm)對(duì)GQSs 尺寸的依賴關(guān)系[74]；（b）不同尺寸石墨烯量子片的顏色變化[75]；（c）元素?fù)诫s的影響[80]；（d-f）激發(fā)波長(zhǎng)依賴性[23]；（g）濃度依賴性[23]；（h）溶劑依賴性[23]；（i）固態(tài)熒光性能[23]。 (a) 轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[74]，版權(quán)所有（2015）皇家化學(xué)學(xué)會(huì)；(b) 轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[75]，版權(quán)所有（2014）美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)；(c) 轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[80]，版權(quán)所有（2014）威立出版集團(tuán)；（d-i）轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[23]，版權(quán)所有（2019）皇家化學(xué)學(xué)會(huì)Fig. 5 Photoluminescence of 2D QSs. (a) Dependence of emission wavelength (nm) on the size of GQSs[74]; (b) color changes of GQSs with different sizes[75]; (c) effects of elemental doping[80]; (d-f) excitation wavelength dependence[23]; (g) concentration dependence[23]; (h) solvent dependence[23]; (i) solid-state fluorescence[23]. (a) Reproduced with permission ref. [74]. Copyright 2015, Royal Society of Chemistry. (b) Adapted with permission ref. [75]. Copyright 2014, American Chemical Society. (c) Reproduced with permission ref. [80]. Copyright 2014, Wiley-VCH. (d-i) Reproduced with permission ref. [23]. Copyright 2019, Royal Society of Chemistry.

4.2 二維量子片在非線性光學(xué)中的應(yīng)用

激光的出現(xiàn)使得非線性光學(xué)（NLO）得到了巨大的發(fā)展，其內(nèi)容涵蓋了光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)研究，以及激光頻率轉(zhuǎn)換、光學(xué)切換等應(yīng)用研究。近些年，越來(lái)越多的研究致力于揭示二維材料及二維量子片的非線性光學(xué)特性[84]。二維量子片在非線性光學(xué)中的應(yīng)用見圖6（彩圖見期刊電子版）。此外，二維量子片的非線性光學(xué)成像以其良好的生物相容性、成像深度大、空間分辨率高、組織熒光背景小、減少生物組織的光損傷等優(yōu)點(diǎn)在基礎(chǔ)生物醫(yī)學(xué)中備受關(guān)注[85,86]。例如，與基于線性光學(xué)的單光子成像相比，N-GQSs 的非線性成像穿透深度大(高達(dá)1 800μm)（如圖6（d）），有望應(yīng)用于監(jiān)測(cè)深部生物組織的活性[87]。

圖6 二維量子片在非線性光學(xué)中的應(yīng)用。（a）等離激元增強(qiáng)石墨烯量子片二階非線性效應(yīng)[89]；（b）黑磷量子片的三階非線性效應(yīng)[94]；（c）銻烯量子片的光學(xué)克爾效應(yīng)[96]；（d）N 摻雜的石墨烯量子片的非線性生物成像[87]；（e）量子片-PMMA 復(fù)合薄膜的非線性飽和吸收性能[23]。(a) 轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[89]，版權(quán)所有（2015）美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)；(b)轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[94]，版權(quán)所有（2016）威立出版集團(tuán)；(c) 轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[96]，版權(quán)所有（2017）威立出版集團(tuán)；（d）轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[87]，版權(quán)所有（2013）美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)；(e)轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[23]，版權(quán)所有（2019）皇家化學(xué)學(xué)會(huì)Fig. 6 Application of 2D QSs in nonlinear optics.（a）Plasmon-enhanced GQSs second-order nonlinearity[89]；（b）third-order nonlinearity of BPQSs[94]；（c）Kerr effect of AQSs[96];（d）nonlinear biological imaging of N-GQSs[87]；（e）nonlinear saturation absorption of QSs-PMMA hybrid films[23]. (a) Reproduced with permission ref. [89]. Copyright 2015, American Chemical Society. (b) Reproduced with permission ref. [94]. Copyright 2016, Wiley-VCH. (c) Reproduced with permission ref. [96]. Copyright 2017, Wiley-VCH.（d）Reproduced with permission ref. [87]. Copyright 2013, American Chemical Society.（e）Reproduced with permission ref. [23]. Copyright 2019, Royal Society of Chemistry.

經(jīng)典理論適用于描述二維量子片的線性響應(yīng)，而普遍低估了它的NLO 響應(yīng)[88,89]。強(qiáng)偶極型的極化子激發(fā)在理解各種二維材料的光與物質(zhì)相互作用中起著關(guān)鍵作用，如石墨烯中的等離極化激元[90]、氮化硼中的聲子極化激元[91]?；诘入x激元共振的石墨烯可用于增強(qiáng)其NLO 響應(yīng)，如圖6（a）[89]是邊長(zhǎng)為8.4 nm 的三角形GQSs，由兩個(gè)中心能量為hω1= 0.41 eV 和hω2= 0.66 eV 的共線光脈沖照射，將從混合脈沖獲得的光譜與每個(gè)單獨(dú)脈沖激發(fā)的光譜疊加，這些脈沖表現(xiàn)出了以基頻諧波（nω1，nω2）振蕩的偏振特征（包括和頻、差頻、簡(jiǎn)并四波混頻以及各種其他的諧波產(chǎn)生和混頻組合）。近年來(lái)，黑磷的非線性光學(xué)性質(zhì)也引起了較高關(guān)注[92]，黑磷由折疊的蜂窩狀晶格形成（圖2（f）），在結(jié)構(gòu)上就與其他二維材料不盡相同。研究發(fā)現(xiàn)，與石墨烯相比，黑磷具有更好的非線性飽和吸收特性[93]。Yu 和Zhang[94]等人采用溶劑熱法成功制備了平均尺寸為(2.1 ± 0.9) nm的BPQSs，如圖6（b）所示，BPQSs 的非線性飽和吸收性能優(yōu)于黑磷納米片（BPNSs），BPQSs 具有較高的調(diào)制深度（BPQSs 為36%，BPNSs 為13.3%）和較低的飽和強(qiáng)度（BPQSs 為3.3 GW cm?2，BPNSs為647.7± 60GW cm?2）[94,95]。然而，BP 的穩(wěn)定性欠佳，與磷同族（砷、銻、鉍）的新型二維量子片展現(xiàn)了較高的穩(wěn)定性。通過(guò)電化學(xué)剝離和聲化學(xué)的方法制備的銻烯量子片（AQSs）是一種具有增強(qiáng)穩(wěn)定性的新型光學(xué)克爾材料。研究表明，在可見光下（圖6（c）），AQSs 具有較大的非線性折射率（≈ 10?5cm2W?1）[96]。

現(xiàn)階段非線性光學(xué)材料的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)包括（但不限于）：（1）可實(shí)現(xiàn)超高非線性光學(xué)響應(yīng)；（2）可在超低功率下激發(fā)非線性光學(xué)效應(yīng)。本課題組[23]利用自主開發(fā)的廣義方法，制備出各種本征二維量子片，再通過(guò)溶液加工得到一系列量子片-PMMA 復(fù)合薄膜（如圖6（e））。GQSs、BNQSs、MoS2QSs 在同等條件下表現(xiàn)出截然不同的非線性飽和吸收性能，絕對(duì)調(diào)制深度分別為26%，4%，59%；相對(duì)調(diào)制深度分別為37.9%，31.7%，89.2%；飽和強(qiáng)度分別為23.8 kW/cm2，63.0kW/cm2，6.7kW/cm2。其中，MoS2QSs 的絕對(duì)調(diào)制深度在所有二維材料已知報(bào)道（相同激光波長(zhǎng)下）中幾乎并列最高（60%左右）；其飽和強(qiáng)度首次低至sub-10kW/cm2(或sub-1 nJ/cm2)，在所有二維材料已知報(bào)道（可見-近紅外范圍，不限波長(zhǎng)）中最低，而且至少降低了1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)[97-100]。也就是說(shuō)MoS2QSs 同時(shí)實(shí)現(xiàn)了非線性飽和吸收的超高響應(yīng)和超低功率激發(fā)，為新型二維半導(dǎo)體量子片研發(fā)提供了強(qiáng)大動(dòng)力。另外，我們[65]研究發(fā)現(xiàn)，MoS2的非線性飽和吸收性能表現(xiàn)出顯著的尺寸依賴性。當(dāng)其納米片尺寸由300nm 逐漸降至2nm，絕對(duì)調(diào)制深度由5.2%提高至59%，而飽和強(qiáng)度由298.5 MW/cm2降低至6.7kW/cm2，分別達(dá)到驚人的1 個(gè)數(shù)量級(jí)和4?5 個(gè)數(shù)量級(jí)，這對(duì)于新型非線性光學(xué)材料和器件的研發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。分析原因認(rèn)為，MoS2QSs 的二維半導(dǎo)體本征特性、強(qiáng)烈的量子限域效應(yīng)以及突出的邊緣效應(yīng)，可能都對(duì)其優(yōu)異的非線性飽和吸收性能做出重要貢獻(xiàn)。特別注意的是，所用量子片橫向尺寸為2nm，厚度為1～2 層，因此只有表面晶胞和邊緣晶胞，分別占比2/3 和1/3 左右，相對(duì)于表面晶胞，邊緣晶胞處于非對(duì)稱環(huán)境，而且為非平衡狀態(tài)（晶格破缺、懸掛鍵、不飽和鍵、動(dòng)態(tài)變化等），正是這種大量本征、裸露、不規(guī)則邊緣，使得其非線性飽和吸收性能得到驚人提升。

4.3 二維量子片在固態(tài)發(fā)光器件中的應(yīng)用

無(wú)機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體與大多數(shù)有機(jī)發(fā)光材料相比，具有較高的發(fā)光效率和使用壽命以及良好的穩(wěn)定性，這引起了人們對(duì)固態(tài)發(fā)光器件的研究興趣。二維材料已在固態(tài)發(fā)光領(lǐng)域顯示出了優(yōu)異的性質(zhì)：可調(diào)的能帶結(jié)構(gòu)，極高的載流子遷移率和極寬的光譜響應(yīng)。因此，二維材料在高性能發(fā)光器件（激光器、發(fā)光二極管等）中得到了廣泛應(yīng)用[101]。

研究表明，二維量子片具有寬帶吸收、強(qiáng)的非線性、超快響應(yīng)和可飽和吸收特性，其作為寬帶、高效、方便和多功能的飽和吸收體在超快激光的應(yīng)用中有著廣闊的前景（見圖7，彩圖見期刊電子版）[96,102,103]。以GQSs 作為光活性介質(zhì)，使用Ta2O5/SiO2設(shè)計(jì)的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）首次實(shí)現(xiàn)了室溫下穩(wěn)定的綠光發(fā)射。圖7（a）描繪了GQSs-VCSEL 的示意圖，布拉格反射鏡形成的光腔在空間上限制了GQSs 的發(fā)射光子，從而形成了一個(gè)強(qiáng)大的光場(chǎng)[104]。TMDs 具有很強(qiáng)的光和物質(zhì)相互作用和較大的激子結(jié)合能，是激光器增益介質(zhì)的理想選擇[105]。已有研究設(shè)計(jì)了基于二硫化鉬/石墨烯納米復(fù)合材料的可拉伸結(jié)構(gòu)的激光裝置（圖7（c）），在優(yōu)化的MoS2QSs 摻雜濃度下，可以有效地增強(qiáng)器件的激光[106]。此外，激光可以通過(guò)外部應(yīng)變調(diào)節(jié)，這為寬帶和可拉伸激光器件的發(fā)展提供了一條有用的路徑，圖7（c）展示了PDMS/G/MoS2激光器件及褶皺結(jié)構(gòu)之間多重散射的示意圖。由于波長(zhǎng)跨越整個(gè)可見光譜的多色激光器超出了單一材料的容量，所以白色激光的生產(chǎn)仍然具有一定的挑戰(zhàn)性。近年來(lái)，過(guò)渡金屬碳/氮化物（MXenes）展現(xiàn)了優(yōu)異的特性[107-109]，有研究構(gòu)建了基于V2C MXene量子片（MQSs）的白色激光器，在最優(yōu)的條件下，藍(lán)光、綠光、黃光和紅光被同時(shí)放大[110]，圖7（b）展示了在不同抽運(yùn)強(qiáng)度下MQSs 激光器發(fā)射出的不同光譜和在355 nm 激光泵（4.8 mJ cm?2）下產(chǎn)生的白色激光。

圖7 二維量子片在固態(tài)發(fā)光器件中的應(yīng)用情況。（a）基于GQSs 的垂直腔面發(fā)射激光器[104]；（b）基于V2C MXene 量子片的白色激光器[110]；（c）基于MoS2 QSs 的可拉伸和寬帶無(wú)腔激光器[106]；（d）基于MoS2 QSs（組氨酸摻雜）的白色發(fā)光二極管[112]。(a) 轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[104]，版權(quán)所有（2019）美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)；(b) 轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[110]，版權(quán)所有（2019）威立出版集團(tuán)；(c) 轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[106]，版權(quán)所有（2020）威立出版集團(tuán)； (d) 轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[112]，版權(quán)所有（2019）威立出版集團(tuán)Fig. 7Applications of 2D QSs in solid-state light emitting device. (a)Vertical cavity surface-emitting lasers based on GQSs[104];（b）white lasers with V2C MXene quantum sheets (MQSs)[110]; (c) stretchable and broadband cavity-free laser devices based on MoS2 QSs[106]; (d) white-light-emitting diodes based on histidine-doped MoS2 QSs[112]. (a) Reproduced with permission ref. [104]. Copyright 2019, American Chemical Society. (b) Reproduced with permission ref. [110]. Copyright 2019, Wiley-VCH. (c) Reproduced with permission ref. [106]. Copyright 2020, Wiley-VCH. (d) Reproduced with permission ref. [112]. Copyright 2019, Wiley-VCH.

發(fā)光二極管（LED）是固態(tài)照明行業(yè)中的關(guān)鍵元件，近年來(lái)得到了快速的發(fā)展。目前對(duì)于柔性發(fā)光器件的需求日益增長(zhǎng)，而二維量子片被認(rèn)為是最有前途的柔性發(fā)光材料之一[111]。二維量子片最重要的特性是具有寬光譜可調(diào)性（從紫外到近紅外）和窄的發(fā)射峰（半高寬在30nm 左右），這是有機(jī)發(fā)光二極管（OLEDs）難以實(shí)現(xiàn)的。Chen等人[106,112]研究了組氨酸摻雜MoS2QSs 在發(fā)光器件中的重要作用，他們?cè)O(shè)計(jì)了基于組氨酸摻雜MoS2QSs 的白色發(fā)光二極管，證實(shí)了單一發(fā)光材料可用于制造LED。圖7（d）展示了該二極管的器件結(jié)構(gòu)和SEM 截面圖以及在正向電壓下的伏安（I-V）特性曲線，其表現(xiàn)出了良好的整流特性[112]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了二維量子片的制備現(xiàn)狀及其在光學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用。自下向上和自上向下方法均可用于制備二維量子片，各有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。不同方法制備的二維量子片的結(jié)晶度、尺寸、晶相、厚度、表面性質(zhì)、缺陷等并不完全一致。二維量子片作為二維材料和量子體系交叉的產(chǎn)物，吸引著人們不斷發(fā)掘其奧秘。而先進(jìn)的制造技術(shù)和精細(xì)的表征手段為我們研究二維量子片奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。二維量子片可調(diào)的光學(xué)性質(zhì)可以通過(guò)制備不同尺寸、不同層數(shù)的二維量子片，構(gòu)建量子片異質(zhì)結(jié)構(gòu)，對(duì)二維量子片進(jìn)行表面修飾，或外部刺激（如溫度、應(yīng)變、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等）等獲得。

二維量子片在諸多領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出了美好的應(yīng)用前景，但仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。首先，盡管已經(jīng)開發(fā)出二維量子片的本征、普適和規(guī)模制備方法[23]，使得在相同協(xié)議/標(biāo)準(zhǔn)上建設(shè)二維量子片的完整數(shù)據(jù)庫(kù)/圖書館成為可能[31]，然而建設(shè)過(guò)程任重道遠(yuǎn)，需要大量的研究人員共同參與。其次，二維量子片的橫向尺寸和厚度尚需獨(dú)立開來(lái)，這樣才能分別探討面內(nèi)和面外量子限域效應(yīng)以及二者所帶來(lái)的各向異性。另外，二維量子片的幾何/邊緣結(jié)構(gòu)尚未做到原子級(jí)別精確可控，這就為相應(yīng)的機(jī)理解析帶來(lái)了困惑。此外，由于內(nèi)部晶格、表面晶格與邊緣晶格數(shù)目相當(dāng)，因此二維量子片在相工程和電子態(tài)調(diào)控方面值得關(guān)注。隨著納米科技和材料研究的不斷發(fā)展和進(jìn)步，我們相信，二維量子片將在非線性光學(xué)、激光、光電器件、催化、能源、生物成像、癌癥治療、固體潤(rùn)滑等領(lǐng)域大放異彩。