说明：本文全面介绍了二维材料，涵盖其制备方法、种类及应用，紧跟科学前沿，有助于理解材料特性与应用，对比不同制备技术，并激发创新思维。
一直以来，石墨烯被认为是一种假设性的结构，无法在环境中稳定存在。直到2004年，科学家 K. S. Novoselov 和 A. K. Geim 通过反复机械剥离石墨得到原子层薄的石墨烯，发现该新型材料可以在环境中稳定存在。至此，以石墨烯为代表的二维材料开始引起了各个领域科学家的热切关注。
二维材料概念的提出是相对于块体材料而言的，指的是其中一个维度上尺寸很小，比如达到纳米尺度（约≤100 nm），在另外两个维度上尺寸相对较大，比如达到微米尺寸（约≥ 1 μm）。
二维材料在组成成分上呈现出多样性，可以由一种或者多种元素组成；在结构上有层状和非层状之分，层状二维材料的层与层之间通过范德华力堆积，层内通过化学键结合；非层状二维材料的层与层之间也存在化学键。
典型的二维材料包括石墨烯、六方相氮化硼（h-BN）、以及由过渡金属元素和硫族元素（S、Se、Te）结合形成的二维材料（又称作二维过渡金属硫族化合物，Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides，2D-TMDs，例如，WS2、WSe2、MoS2等）。
二维材料的制备方法对于探究二维材料的性能以及应用具有重要的意义。目前为止，常用的二维材料制备方法可以分为两大类：自上而下和自下而上。自上而下法主要包括剥离法、插层法和激光刻蚀法等；自下而上法包括气相沉积技术、分子束外延法、化学合成法等。下面针对这两种制备方法展开详细地介绍。
自上而下的制备方法中主要以剥离法为主，剥离主要针对的是层状材料。例如，Ti、Ta、Nb与硫族元素可以形成层状二维材料，它们是研究电荷密度波（Charge Density Wave，CDW）的重要原始材料，可以通过剥离的方法制备。
一个材料是否能够剥离主要取决于层状材料表面能的大小，表面能指的是层状材料通过剥离产生新的表面所需要的能量。一方面，剥离制备二维材料的成本较低、操作简单。另一方面，剥离制备的二维材料易于进一步整合，可以跟其他材料构建新的异质结等结构。
研究者根据材料的不同开发了各种不同的剥离方法，包括机械剥离、球磨、化学剥离等。但是剥离制备二维材料也面临一些问题，包括制备的二维材料尺寸小、形貌不一、不可规模制备等问题。
自下而上的方法中以气相沉积技术为主，主要是因为气相沉积技术在制备二维材料方面具有高产率、高质量和可规模化制备的优势。与机械剥离相比，气相沉积法制备二维材料的可控性更强，可以得到大尺寸结晶度高的纳米片。此外，气相沉积法制备的材料可以是层状材料，也可以制备非层状材料。
化学合成法相对于气相沉积或者外延生长技术而言，是一种湿法制备技术，具有成本低和可控性等优势。根据合成机理不同，可以分为表面能可控合成、模板法合成、限域合成和凝胶法合成等。
综上可知，目前制备二维材料的方法众多，每种方法各有所长、相互补充。同一种材料可以通过很多种不同的方法制备，根据实际的应用需求选择合适的制备方法显得尤为重要。但气相沉积法制备二维材料的优点更突出，更能满足高质量大面积制备的需求，因此成为最主要的制备方法。
按照元素周期表中的位置，将二维材料分为以石墨烯为代表的第四主族元素形成的烯类二维材料，例如硅烯、锗烯等，过渡金属硫族化合物，过渡金属碳化物，钙钛矿，以六方氮化硼（hBN）为代表的含硼原子的二维材料，例如硼烯等，二维分子晶体。下面就一些典型的二维材料进行总结。
石墨烯是一种面内由碳原子 sp2 杂化形成碳碳键相连的六边形蜂巢状的二维纳米材料，其层与层之间的距离为 3.4 nm，层间是相对较弱的范德华力。2009年，一些研究者首次报道了石墨烯的大面积生长，这为满足工业化批量生产的需求奠定了基础。
由于石墨烯具有优异的电学、力学、光学等性能，研究者认为其在材料学、医学、能源和微纳加工等方面有重要的应用前景。
迄今为止，获得大面积单晶石墨烯的最佳方法是在含有催化剂的基底上进行化学气相沉积，常见的金属催化剂有 Cu、Ni 和 Pt 等。该方法的缺点是很难控制多晶金属基底上的成核位置以及恰当的生长时间。
石墨烯具有极好的柔性、极高的导热系数和极小的电阻率，目前实验结果证实，石墨烯热导率约达 3000 Wm-1K-1，光吸收 απ=2.3%，室温电子迁移率达到 2.5×10 cm-2V-1s-1，杨氏模量 1 TPa，内在强度 130 GPa，并且完全不渗透气体。
然而石墨烯本身作为导体有局限性，它没有带隙且开/关比低。实验和理论研究表明，窄宽度的石墨烯纳米带可以打开石墨烯的带隙，然而由于宽度急剧减少会产生边缘粗糙度，使得石墨烯纳米带的迁移率下降。
虽然石墨烯具有众多优异的性能，但要得到进一步的拓展应用以及工业化的生产，还需要投入大量的科学研究。
如前所述，过渡金属硫族化合物也是二维材料的一个重点研究对象，可以用通式 MX2 来表示，M 代表过渡金属例如 Mo、W、Nb、V 等，X 代表硫族化合物S、Se、Te，由此组合得到的二维材料数量颇多。
例如，通式 CrX 可以代表过渡金属元素 Cr 和硫族元素 S、Se、Te 形成的二维材料，但化学计量比并非局限于 Cr：X 为 1：2。因此，2D-TMDs 涵盖了数量众多的二维材料，也成为近年来重点研究的一类二维材料。
单层 MoS2 为直接带隙的半导体材料，其带隙为 1.8 eV，这使得其在光电子学相关的领域应用广泛。
2017 年，段镶锋等人结合 CVD 技术，运用双向气流法生长高质量的 WS2 和 WSe2 单晶以及异质结，不同于单向气流生长法，双向气流对二维材料生长环境具有可控性，既在升温阶段逆向气流是从硅片流向前驱体，等生长温度稳定时，硅片上方的饱和蒸气压也相对稳定，此时通过开关控制使得气流方向变为从前驱体流向硅片（如图2所示）。
图2：双向气流法生长二维材料 a）双向气流的管式炉装置示意图、b）生长单层二维材料、c）A-B 横向异质结、d）A-B-C 横向异质结、e）A-B-A-B 型超晶格 DOI: 10.1126/science.aan6814
过渡金属碳化物类似于过渡金属硫族化合物，由碳原子和过渡金属元素形成的化合物。典型的 TMDCs 材料是二维材料 Mo2C。过渡金属碳化物具有优异的电学性能和机械性能，是金属原子与碳原子之间的共价键和离子键共同作用的结果。
通常来说，过渡金属碳化物是通过化学功能化和高温碳化钼的氧化物来制备。用化学方法制备的产物尺寸较小，表面缺陷严重；高温碳化所得产物含有基底物质以及其他物相等杂质。因此这两种方法在大规模制备高质量过渡金属碳化物方面存在一定的障碍。
钙钛矿这个术语起源于矿物化合物CaTiO3，由此发展起来的一类通式为ABX3的化合物统称为钙钛矿材料，常见的是卤化物钙钛矿材料，其中，A代表有机金属阳离子，B代表金属元素Pb2+、Sn2+，X代表Cl–、Br–、I–。
如前所述，一般意义上的二维材料面内是较强的化学键，层与层之间是较弱的范德华力。二维钙钛矿材料与之不同，钙钛矿材料大部分是通过天然的离子键相互作用。由于离子键作用弱于共价键，这使得相对于其他类型的二维材料而言，卤化物钙钛矿材料更容易通过气相沉积和溶液法在较低温度下制备。
钙钛矿材料具有优异的性能，包括载流子扩散距离和寿命长、光致发光强、光吸收效率高等，与块体材料相比，二维钙钛矿材料还有带隙可调节性、化学稳定性好等优点，因此作为一种新型半导体材料而备受关注。
六方氮化硼（Hexagonal Boron Nitride，h-BN）是由 B 和 N 交替形成的六方蜂巢形结构，类似于石墨烯的结构，层与层之间没有化学键而是弱的范德华力。
h-BN 是一种带隙约为 6 eV 的绝缘体材料，常用作构建二维范德华异质结和一流电子设备的基础材料。此外，当六方氮化硼作为基底和覆盖层时，它还可以观察二维材料的固有物理特性，例如可以得到量子约束效应和霍夫施塔特的蝴蝶现象。
对于二维范德华电子器件，二维材料的物理特性很容易受到范德华异质结构中相邻层之间的影响，在原子级别厚度上此类问题变得更加严重。在最近出现的二维范德华集成的电子器件中，h-BN 已被证明是理想的二维介电材料，这要归功于其独特的功能，包括无悬空键、原子平面和原子层的可控性。
因此，作为二维范德华电子器件的关键参与者，需要控制生长得到性能优异的六方氮化硼，以探索该材料的潜在应用。基于六方氮化硼优异的性质，实现控制生长六方氮化硼，包括控制厚度、高结晶度、无污染、大面积生长等，是研究者一直攻克的难题之一。
在控制生长 h-BN方面，最常用的方法是 CVD 技术，但控制厚度生长时所面临的问题是，在生长之前如何控制硼原子和氮原子与基底的兼容性，因此选择合适的基底至关重要。
六方氮化硼应用于高性能电子器件具有很多优势，例如，原子厚度可控性，钝化和栅极电介质的特性。然而，实践中仍然存在许多挑战，包括制备圆晶级六方氮化硼的难度高，界面六方氮化硼和活性层之间的缺陷会影响载体运输，厚度不均匀性以及褶皱和缺陷等问题，因此还需要研究者继续攻克以上难题。
除了以上常见的一种/两种元素构成的二维材料和特殊的钙钛矿二维材料之外，近年来逐渐发展起来的三种元素构成的二维材料也备受关注。
2013 年研究者提出了二维材料中的 Janus 结构，可以用通式 MXY 来表示，（X、Y=S、Se、Te，X≠Y）。由于元素 X 和 Y 的原子半径电负性不同，MX和 M-Y 周围的电荷呈现出不均匀分配的特点。例如 MoSSe、WSTe 等。
三元素二维材料在带隙的可调控性，组分比例的可控性等方面具有一定的优势，已经广泛应用于光电器件、场效应晶体管等方面，对促进和完善二维材料的种类和发展具有重要的意义。
二维分子晶体在结构组成上与前面几种二维材料完全不同，前几种二维材料都是原子之间成键构成，而分子晶体是通过面内分子之间的范德华力形成分子簇而构成。
二维有机金属框架（Two-Dimensional Metal Organic Frameworks, 2DMOFs）是近年来发展起来的一种新型二维材料，制备二维有机金属框架的过程中，最重要的是保证有机金属框架的本征性能。
自下而上的制备方法中界面合成法是最常用的 2D-MOFs 材料制备技术。这些界面主要包括液液界面、液固界面和液气界面，界面起到一个限域作用，有利于二维材料的生长。
液液界面通常选用两种互不相溶的液体，这主要是由液体极性的差异决定的。例如疏水性有机物和亲水性的去离子水形成液液界面。但是界面法制备的 2D-MOFs 材料的结晶度有待提高。
由于 2D-MOFs 结构具有高的表面能，容易发生簇集，因此有研究表明，表面活性剂辅助法可以有效控制其簇集，同时可以限制 2D-MOFs 的堆垛，有利于形成超薄的二维有机金属框架。
与 MOFs 类似的，共价有机框架（Covalent Organic Frameworks，COFs）是由几何形状键合形成的永久多孔有序结构。二维共价有机框架可以通过液相剥离、机械剥离、表面合成法等方法制备。
二维（2D）材料及异质结构的物理学发展极为迅速。该文章主要综述了二维（2D）材料和基于范德华异质结构的最新研究进展。首先介绍了2D材料的设计理念及其在实际应用中的挑战，随后详细阐述了2D材料的电子性质、物理现象及其在新型异质结构器件中的应用。
文中重点讨论了过渡金属二硫化物（TMDCs）、磷烯、硼氮化合物等材料的特性，并探讨了这些材料在隧穿晶体管、发光二极管等器件中的应用前景。此外，文章还展望了2D材料异质结构的未来发展方向，包括大规模生产和应用潜力。
图3：范德华异质结构的制备
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