神奇的二維材料，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)出爐?

自2010年石墨烯獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以來(lái)，科學(xué)家和產(chǎn)業(yè)界對(duì)石墨烯就開始狂熱的追逐。和石墨的不同之處在于：石墨烯僅有一個(gè)碳原子層厚度，并表現(xiàn)出超優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)等性能。在追逐石墨烯的同時(shí)，一大批類石墨烯的二維材料也被相繼發(fā)現(xiàn)，從元素周期表來(lái)看，組成這些二維材料元素主要包括：過(guò)渡金屬、碳族元素、硫族元素以及其他。這些納米厚度的二維材料和石墨烯一樣，具有和體相材料截然不同的新性能.

圖1. 各種二維材料及其結(jié)構(gòu)

最近有一個(gè)大新聞：在2018年的最后一個(gè)工作日，由泰州巨納新能源有限公司作為第一單位牽頭起草的我國(guó)首個(gè)石墨烯國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30544.13-2018： 《納米科技 術(shù)語(yǔ) 第13部分：石墨烯及相關(guān)二維材料》正式發(fā)布了。然而，大家可能沒意識(shí)到，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也是二維材料領(lǐng)域的第一個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)檫@個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不僅定義了石墨烯，同時(shí)還定義了二維材料等重要術(shù)語(yǔ)，因此對(duì)整個(gè)新型二維材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都具有非常重要的意義。

那么，什么是二維材料？

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的定義，由一層或幾層構(gòu)成，其中每一層內(nèi)的原子與所在層內(nèi)的鄰近原子緊密成鍵結(jié)合，有一個(gè)維度（即其厚度）處于納米或更小尺度，其余兩個(gè)維度通常處于更大尺度的材料，稱為二維材料。

為了更好地方便大家理解這個(gè)定義，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)地備注說(shuō)明：

1：區(qū)分二維材料及體材料的臨界層數(shù)與被測(cè)材料及其性質(zhì)相關(guān)。對(duì)于石墨烯層的數(shù)量，從電學(xué)測(cè)試而言，當(dāng)其厚度小于或等于10層時(shí)是二維材料，當(dāng)其厚度大于10層時(shí)已與體材料，亦即石墨，無(wú)明顯區(qū)別。

2：層間結(jié)合明顯不同并弱于層內(nèi)結(jié)合。

3：每層可包含多種元素。

4：二維材料可以是納米片。

二維材料究竟有什么優(yōu)異性能？

    單層二維材料的表面原子幾乎完全裸露，相比于體相材料，原子利用率大大提高。通過(guò)厚度控制和元素?fù)诫s，就可以更加容易地調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性，譬如硅烯(silicene)和磷烯(phosphorene)。二維材料可以是導(dǎo)體、半導(dǎo)體，也可以是絕緣體；可以是化學(xué)惰性，也可以隨時(shí)進(jìn)行表面化學(xué)修飾。概括起來(lái)，主要有以下3個(gè)優(yōu)勢(shì)：

1）更利于化學(xué)修飾，可以調(diào)控催化和電學(xué)性能。

2）更利于電子傳遞，有利于電子器件性能的提升。

3）柔性和透明度高，在可穿戴智能器件、柔性儲(chǔ)能器件等領(lǐng)域前景誘人。

類石墨烯的五大二維材料家族

    Yury Gogotsi說(shuō)：“一個(gè)50歲的科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室玩新玩具和一個(gè)5歲小孩在家里玩新玩具的樂趣沒什么不一樣，二維材料就是我的新玩具！”在石墨烯之外，貪玩的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了類石墨烯的五大二維材料家族，分別是：MXenes、Xenes、Organicmaterials、TMD（過(guò)渡金屬二硫族化物）以及Nitrides（氮化物）。這些材料涉及學(xué)科跨度大、范疇廣、種類多，一直以來(lái)呈現(xiàn)多點(diǎn)開花、新現(xiàn)象、新應(yīng)用頻出的創(chuàng)新態(tài)勢(shì)。二維材料是當(dāng)下最前沿的科研應(yīng)用領(lǐng)域之一，涵蓋了印刷電子、柔性電子、超級(jí)電容、太陽(yáng)能電池、量子點(diǎn)、傳感器、半導(dǎo)體制造等，具有十分優(yōu)異的機(jī)械、熱學(xué)、光學(xué)特性，是多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)顛覆式創(chuàng)新的基礎(chǔ)。

圖2. 二維材料的五大家族

我國(guó)首個(gè)石墨烯和二維材料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)主要由泰州巨納新能源有限公司、東南大學(xué)等單位起草。泰州巨納新能源有限公司于2010年成立，是國(guó)內(nèi)最早從事石墨烯研究、檢測(cè)、應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)化工作的公司之一。2013年組織召開了全國(guó)首屆石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化論壇。2014年起牽頭起草我國(guó)首批四項(xiàng)石墨烯國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃項(xiàng)目中的兩項(xiàng)。2014年5月，正式承擔(dān)江蘇省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化試點(diǎn)工作并于2016年通過(guò)驗(yàn)收。2014年被科技部認(rèn)定為國(guó)家火炬計(jì)劃平臺(tái)。2015年建立了低維材料在線商城91cailiao.cn，目前已給近萬(wàn)家科研界及工業(yè)界客戶提供了高質(zhì)量的零維、一維、二維材料。2016年12月，經(jīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委和中國(guó)科學(xué)院批準(zhǔn)，承擔(dān)全國(guó)納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)低維納米結(jié)構(gòu)與性能工作組（編號(hào)為SAC/TC279/WG9）秘書處，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和組織全國(guó)低維納米材料的標(biāo)準(zhǔn)化工作。2016年底，承擔(dān)中國(guó)國(guó)際石墨烯資源產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)工作委員會(huì)秘書處。2018年10月成功組織舉辦首屆低維材料應(yīng)用與標(biāo)準(zhǔn)研討會(huì)（LDMAS2018）。