神奇的二維材料，國家標準已經出爐?

自2010年石墨烯獲得諾貝爾物理學獎以來，科學家和產業界對石墨烯就開始狂熱的追逐。和石墨的不同之處在于：石墨烯僅有一個碳原子層厚度，并表現出超優異的力學、電學等性能。在追逐石墨烯的同時，一大批類石墨烯的二維材料也被相繼發現，從元素周期表來看，組成這些二維材料元素主要包括：過渡金屬、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構

最近有一個大新聞：在2018年的最后一個工作日，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首個石墨烯國家標準GB/T 30544.13-2018： 《納米科技 術語 第13部分：石墨烯及相關二維材料》正式發布了。然而，大家可能沒意識到，這個標準也是二維材料領域的第一個國家標準。因為這個標準不僅定義了石墨烯，同時還定義了二維材料等重要術語，因此對整個新型二維材料產業的發展都具有非常重要的意義。

那么，什么是二維材料？

根據國家標準的定義，由一層或幾層構成，其中每一層內的原子與所在層內的鄰近原子緊密成鍵結合，有一個維度（即其厚度）處于納米或更小尺度，其余兩個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定義，國家標準對此進行了詳細地備注說明：

1：區分二維材料及體材料的臨界層數與被測材料及其性質相關。對于石墨烯層的數量，從電學測試而言，當其厚度小于或等于10層時是二維材料，當其厚度大于10層時已與體材料，亦即石墨，無明顯區別。

2：層間結合明顯不同并弱于層內結合。

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。通過厚度控制和元素摻雜，就可以更加容易地調控能帶結構和電學特性，譬如硅烯(silicene)和磷烯(phosphorene)。二維材料可以是導體、半導體，也可以是絕緣體；可以是化學惰性，也可以隨時進行表面化學修飾。概括起來，主要有以下3個優勢：

1）更利于化學修飾，可以調控催化和電學性能。

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、柔性儲能器件等領域前景誘人。

類石墨烯的五大二維材料家族

    Yury Gogotsi說：“一個50歲的科學家在實驗室玩新玩具和一個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，貪玩的科學家發現了類石墨烯的五大二維材料家族，分別是：MXenes、Xenes、Organicmaterials、TMD（過渡金屬二硫族化物）以及Nitrides（氮化物）。這些材料涉及學科跨度大、范疇廣、種類多，一直以來呈現多點開花、新現象、新應用頻出的創新態勢。二維材料是當下最前沿的科研應用領域之一，涵蓋了印刷電子、柔性電子、超級電容、太陽能電池、量子點、傳感器、半導體制造等，具有十分優異的機械、熱學、光學特性，是多領域實現顛覆式創新的基礎。

圖2. 二維材料的五大家族

我國首個石墨烯和二維材料國家標準主要由泰州巨納新能源有限公司、東南大學等單位起草。泰州巨納新能源有限公司于2010年成立，是國內最早從事石墨烯研究、檢測、應用、標準化工作的公司之一。2013年組織召開了全國首屆石墨烯標準化論壇。2014年起牽頭起草我國首批四項石墨烯國家標準計劃項目中的兩項。2014年5月，正式承擔江蘇省戰略性新興產業標準化試點工作并于2016年通過驗收。2014年被科技部認定為國家火炬計劃平臺。2015年建立了低維材料在線商城91cailiao.cn，目前已給近萬家科研界及工業界客戶提供了高質量的零維、一維、二維材料。2016年12月，經國家標準委和中國科學院批準，承擔全國納米技術標準化技術委員會低維納米結構與性能工作組（編號為SAC/TC279/WG9）秘書處，負責協調和組織全國低維納米材料的標準化工作。2016年底，承擔中國國際石墨烯資源產業聯盟國際標準工作委員會秘書處。2018年10月成功組織舉辦首屆低維材料應用與標準研討會（LDMAS2018）。