精选
研究背景
近年来，快速工业化的进展引发了全球对将大量电子元件集成到更小空间以实现多功能操作的广泛关注。随着计算需求的不断增长，传统的硅基和金属氧化物半导体框架逐渐显现出局限性，亟需采用更先进的材料来满足现代技术的需求。二维材料因其原子级厚度和优异的电学、光学及机械性能，成为智能设备开发中的关键材料。例如，石墨烯、过渡金属硫化物(如MoS₂)和黑磷等材料在传感器、柔性电子器件和高效能源设备中表现出卓越的性能。这些材料的独特之处在于其物理特性可以通过外部条件(如电场、磁场或化学修饰)进行精确调控，从而满足不同智能设备的特定需求。此外，二维材料的量子限域效应和表面效应为其在纳米尺度下的应用提供了理论基础，使其成为下一代电子器件的理想候选材料。
Physics of 2D Materials for Developing Smart Devices
Neeraj Goel*, Rahul Kumar*.
Nano-Micro Letters (2025)17: 197
https://doi.org/10.1007/s40820-024-01635-7
本文亮点
1. 深入探讨了多种二维材料的物理学特性，使其能够用于制造智能设备。
2. 统计学和量子物理学在理解智能电子设备功能中的作用，并提出了提升其性能的策略。
3. 智能设备开发中设备架构的新进展。
内容简介
在统计学和量子物理学框架下，二维材料的研究为理解智能设备的工作原理提供了新的视角。通过对二维材料中电子输运行为、能带结构和量子效应的深入分析，研究人员能够设计出性能更优的器件。例如，基于二维材料的场效应晶体管(FET)在开关速度和功耗方面表现出显著优势，而二维材料基传感器则因其高灵敏度和快速响应特性在环境监测和生物医学领域得到广泛应用。此外，通过引入缺陷工程、层间堆叠和异质结设计等策略，可以进一步优化二维材料的性能，从而提升智能设备的整体表现。
尽管二维材料在智能设备开发中展现出巨大潜力，但仍面临一些重大挑战。首先，二维材料的大规模制备技术尚未完全成熟，如何在保证材料质量的同时实现低成本量产是一个亟待解决的问题。其次，二维材料基器件的长期稳定性和可靠性仍需进一步验证，特别是在复杂环境中的应用表现。此外，如何将二维材料与传统半导体工艺无缝集成，也是实现其商业化应用的关键障碍。因此，印度新德里内塔吉苏巴斯理工大学Neeraj Goel等人在本综述中探讨了二维材料在智能设备领域的重要性，并分析其在弥合传统技术与先进技术之间差距中的作用。
图文导读
I 背景
1965年，戈登·摩尔(Gordon Moore)提出，芯片上的晶体管数量每两年翻一番。在过去的50年里，摩尔定律得到了很好的验证，推动了电子电路性能的显著提升和价格的急剧下降。然而，由于多功能设备的引入，摩尔定律开始出现饱和现象，因为需要在同一系统中嵌入大量组件，导致芯片内部产生过多热量。
与石墨烯类似，许多其他二维材料也因其独特的电子、光学、机械和化学性质而被广泛研究并引起了极大关注。这些二维材料之所以优于传统材料，主要在于其性质易于调控，这正是现代智能设备所需的关键特性。这些材料的内在特性可以通过应变工程、相工程、缺陷工程、形成异质结、改变层数或修饰表面形貌来轻松调整。二维材料在一个方向上的尺寸极小。例如，机械剥离的单层石墨烯和MoS₂的厚度分别为3.4 Å和6.5 Å。传统设备的实际应用受到传统材料固有性质的限制。例如，传统设备是刚性的，在弯曲时会失去其机械和电子特性。原子级薄层材料的天然柔性和优异的透明性克服了这些限制，使其成为可折叠和可穿戴柔性设备的理想候选材料。近年来，利用二维材料开发的拉伸智能设备也取得了进展，因为这些材料能够承受高变形而不失去其固有特性。具有可调特性的智能可穿戴织物可以设计用于环境监测、复杂计算和柔性物联网(IoT)应用。
在本综述中讨论了二维材料的独特且令人兴奋的物理学特性，这些特性促进了传统设备向智能设备的转变，如图1所示。还讨论了传统材料中存在的一些固有瓶颈，这些瓶颈限制了它们在现代技术应用中的使用。首先探讨了二维材料在现代电子设备中的作用。然后，重点介绍了最近用于开发智能设备的策略，深入分析了各种技术在提高基于原始二维材料的设备性能中的物理学原理。此外，研究了设备架构作为先进技术应用基础的作用。接下来的部分重点介绍了二维材料在可穿戴、生物医学、量子和能量存储等领域的潜在应用。最后，通过展望未来机会及相关技术意义，总结了利用二维材料开发智能设备的前景。
图1. 用于开发智能设备的工程二维材料。
II 利用二维材料进行器件微缩
智能设备与传统电子设备的主要区别在于功能、微型化、自动化以及数据处理能力。传统电子设备的主要构成材料是块体硅(Si)。这些传统设备在存储器、MEMS传感器、电信和混合信号处理中提供了可靠且高效的操作。然而，当器件尺寸缩小到原子尺度时，这些设备便无法胜任。此外，由于材料的固有特性，这些设备在灵活性方面存在局限，使其在开发柔性智能设备时表现不佳。
二维材料的独特特性，如原子级厚度、高比表面积、带隙可调性和机械柔性，使其能够超越传统硅器件的能力，带来变革性的功能。日益增长的计算需求要求晶体管微型化超越摩尔定律的极限，而传统材料由于微缩限制和短沟道效应无法实现这一目标。许多智能设备需要拉伸、弯曲和折叠以适应柔性可穿戴电子设备的不同表面应用。然而，传统材料不适合这些应用，这为二维材料的使用铺平了道路。此外，二维材料的原子级厚度使其具有极高的比表面积，非常适合用于环境和健康监测中的超灵敏化学传感器。
器件微缩通过增强计算能力、降低功耗和减少每次操作的成本来提升设备性能。场效应晶体管是数字电子设备最重要的基础模块之一。在传统硅技术中，当栅极长度缩小到5纳米以下时，漏电流会变得非常高，其他短沟道效应也会开始主导，从而限制了传统硅基晶体管的微缩。随着二维材料的引入，这些晶体管可以缩小到分子尺度，而不会影响器件性能。过去十年中，二硫化钼(MoS₂)作为一种知名的二维材料，因其卓越的固有特性成为替代硅技术的潜在候选者。例如，Desai等人展示了栅极长度低至1纳米的MoS₂晶体管，其开/关比高达1×10⁶，亚阈值摆幅为65 mV dec⁻1，且漏电流极低。
III 利用二维材料开发智能设备的策略
3.1 相变
温度也是一种潜在的外部刺激，可以驱动相变。与MoS₂类似，另一种二维材料二碲化钼(MoTe₂)在高温下可以从2H相转变为1T′相，这是由于1T′相具有更高的熵。此外，激光加热也可以用于MoTe₂的相变，因为会产生碲空位。Yang等人还展示了基于MoTe₂薄膜的温度依赖性相变存储器。电阻切换源于MoTe₂从半导体(2H)到金属(1T′)的相变。通过溅射技术生长非晶态NbTe₄，并通过后退火转化为晶态。由于NbTe₄的低熔点和高结晶温度，该器件具有更好的热稳定性和更低的能量需求，如图2所示。
图2. a 非晶态和晶态NbTe₄的电阻随温度的变化。b 施加电压下NbTe₄基存储单元的电阻变化，显示了其“设置”和“重置”状态之间的切换。 c 在施加适度应变时，二维蓝色氧化磷从半导体相转变为对称保护半金属(SSM)相。d 二碲化钼(MoTe₂)在半导体(2H)相和金属(1T′)相之间的相变随温度和力的变化。
3.2 元素掺杂
早期研究大多报道了过渡金属硫化物(TMDs)中的高浓度掺杂，使其半导体行为接近金属。因此，在二维材料中进行可控掺杂对于根据应用需求调整其特性至关重要。通过使用十八烷基三氯硅烷(OTS)在WSe₂基晶体管中实现可控非简并p型掺杂的过程。OTS中的甲基(-CH₃)基团降低了沟道中的电子浓度(图3)。图3a显示了p型掺杂WSe₂晶体管的示意图，以及在负漏极偏置下未掺杂和掺杂晶体管的能带图。掺杂后的WSe₂能带向上移动，导致电场增强并降低肖特基势垒。因此，空穴载流子在Pt-WSe₂界面的注入通过隧穿增加，如图3a所示。 p型掺杂可以轻松控制在2.1 × 1011至5.2 × 1011 cm⁻2之间，从而优化晶体管的阈值电压、载流子迁移率和开关电流。为了验证p型掺杂，研究了未掺杂和掺杂晶体管的ID-VG特性，OTS浓度从0.024%变化到1.2%，如图3b所示。与未掺杂晶体管相比，1.2%的p型掺杂使阈值电压增加了8.65 V。 此外，导通电流也提高了10倍，从而增加了晶体管的迁移率。
图3. a 十八烷基三氯硅烷(OTS)掺杂WSe₂晶体管的示意图，以及金属-半导体界面处原始和掺杂WSe₂的能带图。b 原始和OTS掺杂WSe₂晶体管的电流-电压特性。 c 通过常压化学气相沉积技术生长CoO纳米片的示意图。d CoO纳米片的六边形原子结构图，显示沿轴的Ni掺杂。e 在0.1T磁场下，CoO和Ni掺杂CoO在不同温度下的磁化率。
元素掺杂也被证明是调控二维材料磁性的有效技术。Jiang等人展示了镍掺杂后一氧化钴(CoO)中出现的铁磁性，而原始的CoO则表现出非铁磁行为。Ni掺杂的CoO通过范德华外延技术在云母基底上生长，如图3c所示。在Ni掺杂结构中，Co原子被Ni原子取代，但由于两种原子具有相似的原子半径，原始结构并未受到干扰(图3d)。云母基底上不存在悬挂键，促进了二维材料的横向生长。为了研究Ni掺杂CoO的磁性行为，通过零场冷却(ZFC)和场冷却(FC)磁化率随温度的变化进行了分析，如图3e所示。掺杂样品的ZFC和FC表现出铁磁性，转变温度为174 K。因此，通过调控元素掺杂可以有效控制二维材料的磁性。
3.3 基底工程
基底的精心选择在后续生长过程中对开发智能电子设备起着关键作用。Momeni等人通过理论和实验技术研究了不同基底对WSe₂单层取向的影响。研究在结晶和非晶的Al₂O₃和SiO₂基底上进行。图4a和4b显示了在不同基底上生长的单层WSe₂的结合能(ε*)。在结晶Al₂O₃和SiO₂基底上，当WSe₂取向角为0°时，结合能达到最小值。然而，在非晶Al₂O₃和SiO₂基底上，结合能几乎保持恒定，分别为0.052 ± 0.0065和0.051 ± 0.008 J m⁻2。由于非晶基底缺乏明确的结构，其结合能低于结晶基底。非晶基底上的低结合能促进了二维材料的多晶生长。此外，由于结合能较低，生长的二维薄膜可以很容易地从非晶基底上剥离，以形成复杂的结构。
通过在不同基底上生长二维材料，可以轻松调节其带隙，这是由于应变工程的作用。除石墨烯外，大多数二维半导体材料都具有带隙，使其适用于太赫兹到紫外范围的应用。Jung等人通过将石墨烯放置在六方氮化硼(hBN)基底上，展示了约20 meV的带隙(图4d)。当石墨烯放置在hBN表面时，碳原子松弛，从而导致带隙的引入。
图4. a 在不同旋转角度下，二维WSe₂薄膜在结晶和非晶Al₂O₃基底上的结合能。b 在不同旋转角度下，二维WSe₂薄膜在结晶和非晶SiO₂基底上的结合能。c 在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底上生长的柔性晶圆级MoS₂薄膜晶体管。d 石墨烯和氮化硼在刚性、松弛以及仅石墨烯松弛情况下的带隙与晶格常数失配的关系。插图中还考虑了电子-电子相互作用。
3.4 缺陷工程
二维材料的结构缺陷主要分为三类：(1)点缺陷(零维缺陷)；(2)线缺陷(一维缺陷)；(3)面缺陷(二维缺陷)。点缺陷包含本征与非本征缺陷：本征缺陷源于晶格空位，非本征缺陷则来自异质原子掺杂或间隙原子占据。蔡等人通过两步水热法在二硫化钼中引入硫空位，促使2H相向1T相转变(图5a)，成功在室温下实现了非磁性二硫化钼的铁磁性转化。
线缺陷产生于不同晶粒的晶格取向差异。多种合成方法制备的二维材料存在晶界，导致化学计量比变化进而影响能带结构和电导率。这类缺陷具有动态特性，会改变材料载流子迁移率。王团队发现单层二硫化钼中的线缺陷会形成金属导电通道(图5b)。透射电镜显示七硫空位线缺陷使钼原子间距从原始5.3Å压缩至4.2Å，这种原子间距调控为半导体/金属界面控制提供了新途径。
图5. a 通过相变在非磁性MoS₂纳米片中引入铁磁性的示意图。 b 透射电子显微镜(TEM)图像，显示由7个硫空位组成的一行单硫空位。 c 沉积在Ru基底上的石墨烯的三维视图，显示了具有堆垛层错的空位山模型。
面缺陷出现在三维结构被分割为对称原子排列的微畴区域时，主要表现为堆垛层错。阿尔托团队研究了金属基底上外延石墨烯的空位山缺陷(图5c)，这类周期性出现的缺陷会降低材料本征迁移率，但精确调控可能发掘新颖的光学与自旋特性。
3.5 混合尺寸异质结构
在各类跨维度异质结构中，2D/2D与2D/3D组合因多功能性备受青睐。2D/2D异质结可精确调控界面处载流子的产生与输运过程，而2D/3D异质结构则通过传统材料与新型二维材料的融合开辟了新机遇。高性能逻辑器件需要高开关比特性，研究发现MoS₂与p型硅形成的2D/3D异质结(图6a)可通过费米能级调控实现7个数量级(0.1-10⁶)的可调整流比。图6b显示栅压调控下p-n结二极管的反向电流变化，图6c则呈现漏极/栅极电压双调制下的开关比与整流比特性，这种优异性能源于p⁺⁺Si/MoS₂异质结的非对称特性。
图6. a MoS₂/Si范德华异质结的示意图。b 在不同栅极电压下，异质结器件的电流-电压特性。c 二维/三维异质结二极管的开关比和整流比分别作为漏极和栅极电压的函数。 d 基于MoS₂场效应晶体管(FET)的器件架构，由金属-压电-金属配置组成。Pt电极上的VT和VB分别表示顶部和底部电极施加的电压。e 通过逆压电效应表示应变从压电层转移到二维MoS₂的示意图。f FET的输出特性，显示在增加顶部和底部电极之间的电压差时漏极电流的改善。
近年来，跨维度异质结构为柔性可穿戴电子(特别是医疗健康领域)带来革命性突破。二维材料在保持器件高强度同时赋予优异耐久性与柔韧性。Varghese团队最新研究利用压电效应开发了应变调控二硫化钼异质结场效应晶体管。如图6d所示，该器件采用SiO₂基底上的金属-压电材料-金属三明治结构，通过偏压极性切换可实现二维薄膜从压缩应变到拉伸应变的可逆调控(图6e)。当上下电极间电势差从0增至±150 kV cm⁻1时，借助逆压电效应传递的应变可使漏极电流产生130倍调制(图6f)。
IV 智能设备的二维材料选择
二维材料种类繁多且各具特性(如图7所示)，在器件制造中选择合适的二维材料至关重要，这取决于特定应用所需的材料特性。以首个发现的二维材料石墨烯为例，虽然具有卓越的电学、光学和机械性能，但由于其零带隙特性，并不适合作为数字晶体管器件的沟道材料。研究人员已尝试通过设计纳米带、纳米线、纳米管及双层石墨烯等新型结构来打开带隙，但这些纳米结构仍面临载流子迁移率下降、亚阈值摆幅恶化等问题，难以实现理想的晶体管性能。不过，石墨烯凭借超大比表面积、化学稳定性、超高导热系数、惊人机械强度和优异光学特性，在水净化、传感、制氢、抗肿瘤药物及光学应用等领域展现出巨大潜力。
图7. 二维材料的分类取决于其不同的性质。
V 器件架构
5.1 场效应晶体管
场效应晶体管(FET)作为电子工业的核心元件，是现代集成电路的基础构建模块。为延续摩尔定律，晶体管尺寸微缩持续推动着集成电路性能提升、小型化和成本优化(图8a)。然而随着传统3D硅材料厚度逼近物理极限(<5 nm)，界面散射效应导致迁移率急剧劣化，使得微缩进程近年来显著放缓。晶体管的特征长度公式表明，沟道与介电层厚度需同步缩减。在此背景下，厚度不足1 nm的二维半导体材料展现出突破硅基极限的潜力：0.65 nm厚的MoS₂沟道不仅迁移率(~100 cm2 V⁻1 s⁻1)远超亚5 nm硅材料，更在10 nm沟长下实现>400 μA μm⁻1的开态电流和80 mV/dec的亚阈值摆幅。甚至有研究采用碳纳米管栅极构建出沟长仅1 nm的MoS₂晶体管。黑磷基FET则凭借窄带隙和高迁移率特性，实现了1 mA μm⁻1的超高开态电流。
图8. a CMOS晶体管的微缩及后摩尔时代电子器件的进一步发展将基于二维材料和非常规器件。b 接触电极、沟道界面和介电层这三种方法对于优化二维材料晶体管的性能至关重要。c 二维多鳍FET结构的示意图。
尽管二维FET取得显著进展，接触电阻的非欧姆特性仍是重大挑战。近期采用半金属锑(Sb)接触的MoS₂单层器件实现了42 Ω μm的超低接触电阻。由于原子级厚度特性，二维材料的性能高度依赖表面与界面质量，因此需要优化介电层、接触界面工程(图8b)。除传统CMOS技术外，研究人员还将负电容、浮栅、隧穿及铁电晶体管等新型架构与二维沟道结合，并探索了自旋晶体管和激子晶体管等创新方案，为后摩尔时代集成电路开辟新路径。
当前平面FinFET结构在5 nm以下节点面临鳍宽与鳍间距的工艺极限，半导体产业正转向全环绕栅极晶体管(GAAFET)以增强栅极静电控制。而二维材料领域的最新突破是Yu团队报道的Bi₂O₂Se多鳍阵列FET(图8c)，该器件采用高k天然氧化物Bi₂SeO₅介质，在保持>10⁶开关比的同时展现出优异耐久性。相比单鳍结构，多鳍设计在二维逻辑器件中具有更高驱动电流、跨导、集成密度及更低噪声等综合优势。
5.2 互补金属氧化物半导体
采用直接压印方法将p型二维WSe₂和n型二维MoS₂器件串联制备的二维CMOS反相器如图9a所示。该二维异质CMOS反相器表现出优异性能：最大电压增益~27、动态切换时间~800μs、噪声容限0.5VDD(电源电压VDD=5V)且转换电压为2.3V，功耗低于纳瓦量级。良好的栅极图案化和pn阱隔离有效降低了重叠电容值，超薄二维材料封装解决了因负转换电压导致的输入输出信号失配问题。
图9. a 由MoS₂ n型FET与WSe₂ p型FET串联构成的CMOS反相器电路图及器件结构。b 互补场效应晶体管(CFET)器件结构，顶部为p型WSe₂ FET，底部为n型MoS₂ FET。c 四值反相器电路图及器件结构，由WSe₂/MoTe₂异质晶体管与PMMA-MoTe₂/MoS₂异质晶体管串联构成。d 四值反相器的四个离散逻辑状态："1"、"2/3"、"1/3"和"0"。
尽管当前主流微电子产业仍采用三维单片CMOS集成技术(垂直堆叠pn型FET)，但多桥互补场效应晶体管(MBCFET)和互补场效应晶体管(CFET)架构通过垂直堆叠显著缩小了布局面积。刘团队利用单层MoS₂ (n型)和WSe₂ (p型)垂直堆叠制备的CFET器件(图9b)，其沟道材料厚度<1nm，为新型晶体管技术奠定了基础。
除二进制逻辑CMOS外，基于二维材料的多值逻辑CMOS器件因能降低集成电路功耗和集成复杂度而备受关注。Son团队采用p型WSe₂、n型MoS₂和双极性MoTe₂晶体管串联，通过交联PMMA层对MoTe₂进行可控n型掺杂，成功实现了四值反相器(图9c)。该逻辑器件在VDD=2V时呈现出1、2/3、1/3和0四个稳定逻辑态，对应输入输出电压特性如图9d所示。
5.3 存储器
Tang等人研究发现，硫空位在二维MoS₂层片边缘的扩散会形成导电细丝(图10a)。硫空位的渗透程度与二维材料薄片的尺寸相关。当电子从Pt电极通过MoS₂中形成的硫空位细丝到达Ti电极时，器件呈现低阻态。通过改变Pt电极极性使细丝断裂，可实现器件重置。
图10. a 基于二维MoS₂硫空位的阻变传感机制：置位/复位过程及对应器件能带图。b 采用二维WSe₂的1晶体管1存储单元(1T1R)器件结构。c 1T1R器件构型的电流-电压开关特性曲线。
除超快超薄单存储器器件外，二维材料还被用于制备存储器阵列中的晶体管选择器，以降低漏电流。RRAM阵列中的潜行电流会导致串扰增加和静态功耗上升。为此，Sivan团队提出采用二维WSe₂的1晶体管1阻变存储器(1T1R)单元结构(图10b)。实验证实，基于二维WSe₂的薄膜晶体管(TFT)能成功实现WSe₂ RRAM的阻变切换(图10c)。
5.4 分层结构框架
采用水热法和溶剂热法成功制备了高度各向异性的正交晶系α-MoO₃，X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)分析证实了其晶体结构(图11a、b)。Ni(OH)₂的晶体结构通过增强的(110)和(300)晶面XRD衍射峰得到验证(图11b插图)。这种三维分级结构提供了短的离子扩散路径，同时具备电致变色和超级电容双功能特性。凭借其高比电容、赝电容存储特性、着色效率和电致变色光学调制能力，该系统非常适用于智能建筑、汽车和电子设备。
图11. a 二维-二维MoO₃/Ni(OH)₂分层结构的制备流程示意图。b MoO₃/Ni(OH)₂复合物及MoO₃纳米带的XRD谱图，上下插图分别显示α-MoO₃和α-Ni(OH)₂的晶型。c 二维WS₂/WO₃核壳纳米线的一体化结构示意图。d h-WO₃纳米线晶体结构示意图及对应的ADF-STEM图像，(001)基面横截面视图展示纳米线的稳固框架。
基于分级结构的概念，研究人员进一步探索了二维材料的集成以提升性能。由二维过渡金属硫化物(TMDs)构成的超级电容器因其层状结构和巨大表面积展现出巨大潜力。然而，由于材料随机组装导致的电容衰减严重和循环稳定性有限等问题仍然存在。图11c展示了Choudhary等人开发的高效核壳结构纳米线超级电容器，该器件将一维(1D)h-WO₃纳米线与保形二维WS₂层相结合。通过连续氧化和硫化相同金属集流体实现的"一体化"结构，确保了耐久且原子级锐利的核壳界面。h-WO₃核(图11d)由沿[001]晶带轴排列的W-O₆八面体构成，形成对角线约5.36Å的开放六方通道(ADF-STEM成像证实)。这种混合结构协同结合了一维和二维组件的优势，具有高比表面积、机械强度和独特功能特性，实现了卓越的电容性能以及超过30,000次充放电循环且衰减极小。
VI 智能设备的应用
6.1 柔性和可穿戴电子产品
Tang等人采用二维MoS₂制备了低功耗高性能柔性集成电路，包含反相器、NAND、NOR、AND逻辑门及环形振荡器等基本电路模块(图12a,b)。该反相器在Vdd=1V工作电压下表现出397的高电压增益和10.3 pW μm⁻1的低功耗，噪声容限良好(图12c)。环形振荡器具有较低的传播延迟，这些优异性能表明二维MoS₂是低功耗高性能晶体管应用的理想沟道材料。多种直接带隙二维材料在柔性光电器件中也展现出良好的光学特性。
图12. a 柔性PET基板(4×4 cm2)上二维MoS₂薄膜晶体管(TFT)的实物图。b 基于二维MoS₂的反相器、NAND、NOR、AND逻辑门及环形振荡器的光学显微图像。c MoS₂反相器的电压传输特性曲线。d 用于卷对卷(R2R)石墨烯生长的同轴管式CVD系统示意图。e 柔性聚酰亚胺(PI)基板(30×40 cm2)上CVD生长WSe₂的实物照片。
绝缘二维材料h-BN具有高声子能量、高介电击穿场强和面内高热导率等特性，可有效改善基于二维材料的晶体管电荷传输性能。二维h-BN优异的机械性能使其成为柔性电子器件的理想栅极介电材料。此外，得益于其热导率各向异性，适当厚度的二维h-BN可作为塑料基板的热管理系统——通过面内金属电极散热同时阻断面外热传导。对于基于二维材料的柔性器件，热管理尤为关键，因为高电流密度下的快速载流子输运可能导致峰值温度超过塑料基板的玻璃化转变温度。
除柔性特性外，保形电子、生物电子和体表设备还需要材料具备可拉伸性、生物相容性和高弯曲角度等特性。晶界极少的二维材料其弹性极限远优于传统三维半导体，这种高弹性极限与原子级厚度的结合使二维材料在柔性可穿戴电子领域更具优势。实现柔性可穿戴电子需要解决二维材料大面积纳米加工及其在柔性基板上的器件制备问题。为此，研究人员开发了多种创新方法(如图12d所示的卷对卷石墨烯生长工艺)。常规工艺需先在刚性基板上生长二维材料，再通过转移技术将其转移到柔性基板，但后生长转移过程会引入褶皱、缺陷和聚合物残留等问题。为解决这一难题，研究者开发了低温等离子体CVD直接在柔性基板上生长二维材料的新方法。Medina团队采用感应耦合等离子体CVD技术，在250℃低温条件下通过分解高能硒离子使预沉积在柔性PI基板上的WO₃薄膜硒化，成功制备了30×40 cm2大面积高质量单层WSe₂(图12e)。
6.2 生物医学应用
图13a展示了均匀沉积氧化石墨烯(GO)的传感器芯片及其检测生物标志物后的电阻值变化。该传感器能够检测血浆中极低浓度的生物标志物，适用于阿尔茨海默病的诊断。此外，由于二维材料器件具有低功耗特性，也被用于开发自供电生物传感器。Li等人报道了一种基于二维MoS₂的自供电pH传感器，该传感器由MoSe₂压电纳米发电机驱动。得益于二维材料优异的电学性能和高比表面积，该传感器具有快速响应(<10秒)和高灵敏度等特点。
基于二维材料的微流控芯片因其高通量、低成本等优势，在生物传感领域广受欢迎。Wang等人利用氧化石墨烯制备了微流控芯片(图13d)，用于收集非转移性非小细胞肺癌患者在放疗或放化疗前、中、后的全血样本，以监测放疗对PD-L1表达水平的影响。
图13. a 固定抗体的晶圆级大面积还原氧化石墨烯(rGO)生物传感器示意图。b 石墨烯(Gr/Au/Gr)电极器件结构示意图。 c 植入混合石墨烯电极的大鼠实物照片。d 氧化石墨烯(GO)芯片结构及样本采集与循环肿瘤细胞分离工作机制示意图。e 基于MoS₂的可生物降解传感器结构示意图。f 植入大鼠体内的MoS₂可吸收传感器与商用传感器对比实物图。
除可穿戴设备和非侵入式设备外，二维材料还因其良好的稳定性和与生物体液、组织的相容性而被用于植入式设备。传统植入式设备由于所用材料具有刚性、体积大和毒性等问题，常导致组织损伤、瘢痕或炎症。因此，生物相容性对植入式设备至关重要。这类设备主要用于监测电生理信号以及刺激肌肉和神经。Lim等人报道了一种用于癫痫诊断和治疗的混合石墨烯电极。他们制备了具有低阻抗特性的石墨烯/金/石墨烯高密度柔性电极阵列(图13b)，用于采集大脑活动信号。该石墨烯电极阵列被植入大鼠大脑皮层(图13c)，可从不同皮层位点获取信息，并对自由活动的大鼠进行神经刺激以治疗癫痫。Chen等人报道了一种基于MoS₂的可生物吸收多功能传感器，用于动物模型中颅内压力、温度、应变和运动的监测(图13e,f)。通过CVD生长的单层MoS₂在水溶液中可发生水解而被生物吸收，并在活体动物的生物流体和组织中表现出长期的细胞毒性和免疫生物相容性。这种基于二维MoS₂的传感器技术，在创伤性脑损伤恢复过程中具有诊断和治疗双重功能。
6.3 人工智能
利用单层多晶MoS₂三端晶体管实现了人工突触器件(图14a)。该器件通过在漏极或栅极施加突触前输入来模拟生物突触行为，这对构建复杂类脑生物结构具有重要意义。多晶MoS₂晶体管转移特性曲线中的显著滞回效应使其适用于突触应用，这种滞回源于栅压扫描过程中陷阱态的电荷捕获/释放(图14b)。此外，栅极可调性赋予器件优异的循环耐久性和非易失性存储功能。
图14. a 使用二维二硫化钼(MoS₂)的人工突触示意图。b 转移特性显示，基于二硫化钼的突触门电压增加时，其滞后现象也随之增强。c 使用黑磷(BP)和二硫化钼(MoS₂)双栅极的高斯突触示意图。d 生物突触示意图。e 手写数字识别的三层神经形态网络示意图、混淆矩阵以及训练和测试图像时识别率随训练周期的变化。f 仓鸮听觉皮层示意图。g 杰夫瑞斯(Jeffress)声音定位模型。h 伪装型过渡金属氧化物/过渡金属二硫化物(TMO/TMD)异质结构的光学图像，其可作为电阻器、二极管或晶体管。
除人工神经网络(ANN)外，概率神经网络(PNN)也被用于模拟大脑基础生物功能。Sebastian团队采用双栅MoS₂/黑磷(BP)FET异质结构构建了高斯突触(图14c)，通过阈值工程动态调制高斯突触的幅值、均值和标准差，实现了基于概率神经网络的脑电波模式分类。Liu团队则开发了基于三硫化钛(TiS3)的光电人工突触(图14d)，其稳定的双极性阻变特性可应用于先进神经形态视觉系统。
Wang团队进一步利用二维MoS₂构建了"两晶体管一电容"(2T-1C)存内计算架构(图14e)，所构建的三层全连接神经网络(含20个隐藏层)在手写数字识别中达到90.3%的准确率。Das团队受仓鸮听觉皮层启发，采用具有纳米间隙的分裂栅和可调RC电路(图14f,g)，基于Jeffress声源定位模型开发了MoS₂仿生晶体管，可分别模拟重合检测神经元和耳间时延神经元的空间映射。
在硬件安全领域，Wali团队利用TMD及其氧化物(TMO)异质结构实现了电路功能隐藏(图14h)。基于该异质结构的逻辑门对可满足性求解器和自动测试生成模式攻击具有强鲁棒性，为物联网系统提供了新型硬件加密方案。
6.4 量子技术
二维材料在计算、通信和传感等不同量子应用中的利用和优势如图15a所示。除了能够实现量子物质的人工态之外，二维材料体系在量子技术应用的固态平台上也展现出巨大潜力。此外，通过将二维材料以不同序列堆叠、改变层间距以及调整材料层之间的相对角度，基于二维材料的范德华(vdW)异质结构能够产生新的量子效应。在量子计算方面，由于二维材料体系具有特殊的能带结构和独特的量子现象，已经实现了多种形式的信息基本单位——量子比特(qubits)，如量子点量子比特、缺陷自旋量子比特、超导量子比特和拓扑量子比特。二维过渡金属二硫化物(TMDs)材料由于其强的本征自旋-轨道耦合和大的激子结合能，展现出比石墨烯更快的量子比特操作速度。此外，利用二维范德华异质结构可以克服缺陷自旋量子比特对环境敏感的问题。而且，将具有超导和绝缘行为的二维材料垂直堆叠，提供了一个清洁的界面，有助于在超导量子比特平台上开发约瑟夫森结。范德华异质结构在拓扑量子计算方面前景广阔，而拓扑量子比特对无序状态有更好的保护。在量子通信应用的量子发射方面，二维材料已被探索用于不同的量子发射现象，包括单光子、双激子和谷激子。图15b展示了二维WSe₂中位点控制的单光子发射器。
图15. a 二维材料在量子技术中的优势和应用。b 基于应变和缺陷工程的WSe₂单光子发射器的示意图。c 使用石墨烯和MoS₂异质结构制造的电子纺织品超级电容器的示意图。
6.5 能量存储设备
使用石墨烯和二硫化钼异质结构的可穿戴纺织品超级电容器采用了一种可控的微流化技术来制造高度可扩展的可穿戴电子纺织品，如图15c所示。该超级电容器表现出非常高的性能，因为石墨烯具有固有的高电导率，而二硫化钼(MoS₂)则展现出可调的带隙。使用该超级电容器，获得了约105.08 mF cm2的面电容、约1604.274 μW cm2的功率密度和约58.377 μWh cm2的能量密度。这种基于异质结构纺织品的超级电容器结合了赝电容和双电层电容的工作机制，因此充当混合电容器。此外，如图15d所示，三个串联连接的电容器能够使LED发光，这证实了该设备的实际应用可行性。
6.6 传感器
图16a展示了单片CMOS-石墨烯气体传感器装置。当石墨烯暴露于气体中时，其导电性的变化会影响Si-CMOS芯片读出电路的输出信号。如图16b所示，当NO₂从p型石墨烯中提取电子后，石墨烯的电阻值降低，这使得读出电路中环形振荡器的传播延迟减小，从而导致相应的输出频率增加。单片CMOS-石墨烯气体传感器在大气环境下对NO₂和NH₃表现出良好的敏感性。
图16. a 石墨烯化学电阻式气体传感器与商用硅晶体管芯片集成，形成环形振荡器电路。b 随着二氧化氮气体浓度的变化，频率和相位也发生变化。c 商用石墨烯基生物传感器的器件结构和读出电路，以及d 完整器件图像。e 具有石墨烯透明电极的Gr/MoSe₂/Si光探测器。 f p–g–n异质结构(MoS₂–石墨烯–WSe₂)的宽带光伏探测器。
此外，二维材料的可调带隙、生物相容性和强光致发光特性支持从复杂生物样品中检测低浓度的目标生物分子。与电容性和电阻性生物传感器结构相比，场效应晶体管(FET)器件结构在二维材料用于生物分子检测时更为常用。目标生物分子与二维材料相互作用后，作为FET沟道的二维材料的电子传输会发生变化。因此，需要高迁移率的材料来检测生物分子。此外，沟道的表面功能化/修饰和新型结构设计可以提高生物传感器对特定分析物的选择性。
如今，基于石墨烯的场效应生物传感器已商业化，可用于检测特定的生物分子(图16c)。这种生物传感器的性能可与传统生物传感器设备相媲美(甚至更优)。商业化的生物传感器芯片如图16d所示。
这段内容主要介绍了单片CMOS-石墨烯气体传感器的工作原理、敏感性以及在生物分子检测方面的应用。通过利用二维材料的特性，这种传感器能够实现高灵敏度和选择性的生物分子检测。同时，也提到了商业化生物传感器的发展现状和性能优势。
6.7 光探测器
使用晶圆级PtTe₂/石墨烯异质结构的宽带自供电光探测器在405至1850纳米的宽带波长范围内展现出了良好的光探测性能。该光电二极管展现出了高D*(约2.58 × 101⁰ Jones)和快速的响应时间(约8.4微秒)。Long等人将石墨烯插入到MoS₂/WSe₂的p-n型范德华(vdW)异质结构之间，形成了基于MoS₂-石墨烯-WSe₂异质结构的光探测器，如图16f所示。石墨烯具有零能带隙，有助于提供广泛的光谱范围以实现有效的光吸收。该光探测器在从可见光到短波红外光的宽光谱范围内表现出良好的光探测性能，并在室温下的近红外区域展现出了高达1011 Jones的特定探测率。一个由石墨烯/MoSe₂/Si异质结构构成的垂直器件结构在350–1310纳米的宽范围内展现出了优异的光响应，并且重要的是，其光响应速度极快，约为270纳秒。该光探测器器件如图16e所示。器件的透明顶部石墨烯电极由于石墨烯/MoSe₂/Si异质结中的强内建电场，增强了载流子的收集并减少了电极结处的复合。
VII 总结
过去十年间，二维材料新特性的发现已经改变了智能设备，从柔性电子到量子技术均有所涉及。当传统材料在某一方向上通过原子级减薄实现从三维到二维的转变时，特别是由于量子限域效应，会产生一些令人兴奋的物理现象。量子物理的出现使二维材料对环境条件和外部刺激更加敏感。从智能设备的角度来看，这为精确测定不同参数提供了额外优势。二维材料在智能设备开发中的应用具有巨大潜力，有望弥合传统与现代电子设备之间的技术差距。然而，设备结构、稳定性、性能提升策略以及其他技术方面仍需深入研究，以为下一代智能设备铺平道路。通过解决这些挑战，二维材料有望在智能设备中解锁新的性能和功能水平，从而可能改变从柔性电子到量子计算等多个领域。
作者简介
Neeraj Goel
本文通讯作者
印度新德里内塔吉苏巴斯理工大学 助理教授
▍主要研究领域
纳米电子学，微电子学，电子器件制造，气体传感器，光电探测器，二维材料与异质结
▍主要研究成果
Neeraj Goel博士于2011年在印度勒克瑙的Uttar Pradesh技术大学获得电子和通信工程学士学位。2015年毕业于印度丹巴德的印度理工学院(ISM)。他于2015年至2020年在印度拉贾斯坦邦焦特布尔理工学院获得纳米电子学博士学位。他于2020年10月至2021年6月在印度理工学院德里分校担任研究所博士后。目前，他在印度新德里的Netaji Subhas理工大学(原NSIT)电子与通信系担任助理教授。他目前的研究领域是二维材料、光电探测器、气体传感器和混合维度异质结。他在国际知名期刊上发表了20多篇论文，并在多个国内和国际会议上发表了论文。2018年，他的文章被《Journal of Physics D: Applied Physics》评选为2018年新兴领袖奖。他也是许多国际期刊的审稿人。
▍Email：neeraj.goel@nsut.ac.in
撰稿：原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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