作者简介
刘方泽 教授 北京理工大学
刘方泽，北京理工大学前沿交叉科学院教授，2009年获得复旦大学学士学位，2015年获得美国东北大学物理学博士学位，2015年至2021年在美国洛斯阿拉莫斯实验室从事博士后研究，2021年9月加入北京理工大学。主要研究领域是基于低维半导体材料的光电探测器件，主持国家自然科学基金青年基金和面上基金等，共发表SCI收录论文90余篇，ESI高被引4篇，其中第一/通讯作者论文发表在Nature Communications， Science Advances，Materials Today，ACS Energy Letters 和ACS Nano 等期刊，总引用次数4000余次，H因子30，获得三项美国专利授权，研究成果获2019年R&D 100 金奖。
李红博 教授 北京理工大学
李红博， 北京理工大学材料学院教授，主要从事无机半导体纳米晶的可控合成，光谱性质研究以及光电器件的应用开发研究。任Energy Material Advances、《中国材料进展》、Rare Metals、Nano Research Energy 期刊编委，同时还担任中国材料研究学会纳米材料与器件分会青年理事、中国感光学会青年理事会副主任和北京化学会理事。获得国家自然科学基金青年项目、面上项目、国际合作交流项目的支持；迄今已发表110余篇学术论文，总引用8400余次，包括Nature Energy，Nature Photonics，Advanced Energy Materials，Matter， J. Am. Chem. Soc.，Nano Letters 等等。
魏静 副教授 北京理工大学
魏静，北京理工大学副教授，博士生导师。2012年于电子科技大学集成电路设计与集成系统专业获得学士学位，2017年于北京大学微电子与固体电子专业获得博士学位。2019年7月加入北京理工大学材料学院材料物理与化学系。主要从事新能源材料与器件、钙钛矿光电材料与器件等研究。在Nat.Commun.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Angew.Chem.Int.Ed 等杂志发表论文50余篇，其中ESI高被引论文5篇，ESI热点论文3篇，被引次数4000 +。主持国家自然科学基金青年项目、面上项目等。
导读
二维材料凭借原子级厚度、巨大比表面积和优异的机械、光学和电子性能备受关注。然而，基底支撑会引发电荷散射、掺杂和界面热阻等问题，掩盖其本征特性。悬空二维材料不仅能展现本征优异性能——如单层石墨烯杨氏模量高达1.0TPa、热导率达2000–5000W/mK——还为超灵敏传感器、柔性电子和光电器件提供了理想平台。
实现高质量悬空结构的关键挑战在于转移技术：如何在不引入污染、不造成机械损伤的前提下，将原子级薄层精确转移到目标基底上，或直接构建自悬空结构。
北京理工大学刘方泽教授团队在Nanomaterials 期刊发表的综述，系统总结了悬空二维材料在制备、表征及应用领域的最新进展，聚焦各类转移方法的对比分析，为无损、洁净的精准转移提供了深刻见解，并对未来研究方向进行了展望。
研究过程与结果
1. 悬空结构的制备：一场“转移”技术的较量
制备高质量、无损、洁净的悬浮二维材料是释放其潜力的首要前提，核心挑战在于转移技术——如何在不引入污染、不造成机械损伤的前提下，将原子级薄层精确转移到预制腔体结构上，或直接构建自悬浮架构。当前技术路线主要分为湿法转移和干法转移两大阵营。
湿法转移：借助聚甲基丙烯酸甲酯、环十二烷等支撑层将材料转移到目标基底再去除。该技术面临的核心难题是支撑层残留和毛细作用力导致的破损。为解决这些问题，研究者们开发了两步溶解法 (图1)、双层转移法 (图2)，倒置转移法 (图3)、临界点干燥法，利用有机小分子 (如环十二烷，图4) 或复合支撑层 (如松香/PMMA，图5)，框架辅助转移 (图6) 和基质支持转移 (图7)。来实现更洁净、更完整的转移。
图1. 两步溶解法制备悬空样品流程；图2. 双层转移法制备悬空样品流程；图3. 倒置转移法制备悬空样品流程。
图4. 以环十二烷为支撑层的高完整性洁净转移方法；图5. 基于PMMA/松香双层支撑的电化学鼓泡转移法。
图6. 无聚合物转移工艺的示意图；图7. 悬空石墨烯膜的高完整性转移；图8. GSAM上层组装的示意图。
干法转移：主要包括机械剥离 (图9) 和干法印章转移 (图10)。该方法利用范德华力或毛细作用实现材料的“拾取”与“释放”，全程无需液体参与，因此通常更洁净、简单，尤其适合实验室小规模制备和高精度异质结堆叠。
图9. 机械剥离法制备悬空结构示意图；图10. 全干法转移流程示意图。
2. 悬空二维材料的本征“超能力”
摆脱基底后，二维材料的多种本征性能得到极大提升或得以揭示 (图11)。
力学性能：悬浮结构使其展现出接近理论极限的优异力学参数。例如，单层石墨烯的杨氏模量高达1.0TPa，本征强度达130GPa；单层氮化硼的杨氏模量为865GPa；单层二硫化钼的断裂应变可达6–11%。
电学性能：消除了基底引起的电荷散射和掺杂后，悬浮石墨烯的载流子迁移率可达250,000cm²/Vs，远超在二氧化硅基底上的表现 (约2000–15,000cm²/Vs)。
热学性能：悬空双层氮化硼的热导率 (646W/mK)，而单层氮化硼更是高达751W/mK。
光学性能：消除了基底的干扰和光干涉效应，能更准确地研究材料本征的光致发光、拉曼信号等。
图11. 悬空二维材料展示出的优异本征特性。
3. 应用：从传感器到量子世界的全面突破
这些独特的性能使悬空二维材料在多个前沿领域大放异彩：
压力传感器 (图12)：利用悬空薄膜在压力下的应变、位移或谐振频率变化，实现超高灵敏度压力探测，如基于MoS2的微型光纤压力传感器灵敏度达89.3nm·Pa⁻¹。
加速度计 (图13)：结合硅质量块，悬空石墨烯实现了体积比传统器件小两个数量级以上的加速度传感，同时灵敏度提升超过三个数量级。
声学换能器 (图14)：应用于静电式、电动式、热声式扬声器和麦克风。例如，石墨烯热声扬声器可实现无振膜设计，超薄透明；石墨烯麦克风则有望实现低工作电压和高灵敏度。
光电器件 (图15)：在逻辑门、场效应晶体管和光电探测器中表现优异。悬空ReS2光电探测器响应时间快至20μs，悬空MoS2探测器光响应度高达1.02×104A/W。
冷冻电镜 (图16)：利用石墨烯-表面活性剂自组装超结构 (GSAMs) 作为载网支撑膜，能有效缓解蛋白质颗粒在气液界面的取向优势问题，助力高分辨结构解析。
图12. 基于悬空薄膜的谐振式压力传感器工作原理。
图13. 集成硅质量块的悬空石墨烯加速度计工作原理。
图14. 不同类型的声音探测器件。
图15. 基于悬空MoS2的光电探测器结构。
图16. GSAMs超结构缓解冷冻电镜气液界面效应示意图。
研究总结
北京理工大学刘方泽团队的这篇综述，总结了悬空二维材料在制备、性能及应用领域的最新进展，对比分析了悬空与基底支撑结构的优缺点，并评估了干法与湿法转移工艺的适用性。
尽管当前在实现大面积、高质量、可重复的样品制备上仍面临挑战，但悬空二维材料所展现出的超越传统材料的本征特性，预示着其在下一代超敏感知、量子技术、柔性电子和能源等领域拥有不可限量的应用潜力。未来悬空二维材料的研究将聚焦于克服制造限制，重点包括推动转移方法的开发，开发新型悬空二维材料;改进异质结界面工程 (精确调控层间耦合、能带对齐和应力分布);并开发先进的原位表征技术，揭示悬空二维材料的内在性质。在这些基础上，下一代高性能电子器件、超灵敏传感器和量子发射器的优化设计，最终将加速其在信息技术、传感和能源领域的实际应用。
原文出自 Nanomaterials 期刊：https://www.mdpi.com/2079-4991/15/12/929
Nanomaterials 期刊介绍
主编：Eugenia Valsami-Jones, University of Birmingham, UK
期刊主题涵盖纳米材料 (纳米粒子、薄膜、涂层、有机/无机纳米复合材料、量子点、石墨烯、碳纳米管等)、纳米技术 (合成、表征、模拟等) 以及纳米材料在各个领域的应用 (生物医药、能源、环境、电子信息等) 等。
2025 Impact Factor：4.8 (JCR Q2*)
2025 CiteScore：10.3 (Scopus Q1*)
Time to First Decision：12.5 Days
Acceptance to Publication：2.7 Days
* JCR Q2 at "Physics, Applied", "Chemistry, Multidisciplinary", "Materials Science, Multidisciplinary" and "Nanoscience and Nanotechnology" categories
* Scopus Q1 at "General Chemical Engineering" and "General Materials Science" categories
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/nanomaterials
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