（原標(biāo)題：【論文故事】“原子積木”搭出新材料）

“變小、變小、再變小”這句咒語(yǔ)，仿佛在不斷推動(dòng)著新材料的進(jìn)步。人類每一次在材料上的突破，都促進(jìn)了科技的進(jìn)步。如今，科學(xué)家已經(jīng)能在原子尺度上制作新材料了，像搭積木一樣，把不同單原子層材料一層層“搭”起來(lái)。

用傳統(tǒng)方法合成不同的單原子層二維材料時(shí)，就像玩樂(lè)高積木，積木的顆粒尺寸必須相同才能互補(bǔ)搭配。想將兩塊“原子積木”順利搭在一起，只能由具有十分相似的原子分布的材料組合而成，不然它們無(wú)法粘合在一起。比如，要與六邊形原子分布結(jié)構(gòu)的石墨烯堆疊，研究人員需要先合成出與之相似的六方氮化硼，才能合成出含有六方氮化硼夾層的石墨烯材料。該材料可用于制造光電傳感器。

那么怎么才能將不同性質(zhì)的原子材料搭在一起，獲得更豐富的材料呢？最近，北京交通大學(xué)光電子技術(shù)研究所與堪薩斯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，成功地將單層石墨烯與單層二硫化鎢這兩塊“積木”，依靠范德瓦耳斯力（分子間作用力）相連，組成了新的材料，并將其應(yīng)用于太陽(yáng)能電池以及柔性光電子器件。研究論文^[1]11月發(fā)表在了《自然·通訊》（Nature Communications）上。果殼網(wǎng)科學(xué)人就此對(duì)論文第一作者，北京交通大學(xué)的何家琪博士進(jìn)行了采訪。

用膠帶粘出單層原子

近些年得到廣泛關(guān)注的新型單原子層材料石墨烯，擁有出色的電學(xué)性能以及機(jī)械強(qiáng)度等特性，對(duì)科學(xué)家有著不小的幫助。在這次研究中，研究團(tuán)隊(duì)把石墨烯和單層的二硫化鎢當(dāng)做了“原子積木”。石墨烯有著極高的電子遷移率，而單層的二硫化鎢可以高效吸收太陽(yáng)光，并將其轉(zhuǎn)化成電能。合成的新型材料結(jié)合了這二者的特性，可以有效地提高太陽(yáng)能電池的性能。

研究團(tuán)隊(duì)成功將二硫化鎢（上層）與石墨烯（下層）搭在了一起。圖片來(lái)源：University of Kansas

如何獲得僅有一個(gè)原子層那么薄的材料呢？大家應(yīng)該都有過(guò)用膠帶粘紙上的錯(cuò)字的經(jīng)歷。而制備單層石墨烯的過(guò)程與之類似——研究團(tuán)隊(duì)利用透明膠帶，采用機(jī)械剝離法從石墨晶體上制備出單層的石墨烯，并轉(zhuǎn)移到一種硅的襯底上。然后，利用相同的方法，他們又得到了單層的二硫化鎢。

機(jī)械剝離的方法雖然看起來(lái)簡(jiǎn)單，其實(shí)難度可不小。“機(jī)械剝離法的缺點(diǎn)主要是產(chǎn)物尺寸不易控制，無(wú)法可靠地制備出長(zhǎng)度足夠的石墨烯，無(wú)法滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要?！焙渭溢鞲嬖V科學(xué)人，“但它的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，對(duì)實(shí)驗(yàn)室條件要求較低，容易得到高質(zhì)量的石墨烯?！?/p>

利用膠帶，采用機(jī)械剝離法得到單層石墨烯。圖片來(lái)源：sknust.de

如何把“原子積木”搭在一起？

準(zhǔn)備好了單層原子材料石墨烯和二硫化鎢后，該如何把只有一層的“原子積木”準(zhǔn)確地搭好？

在顯微鏡的輔助下，研究團(tuán)隊(duì)精確地將石墨烯覆蓋到二硫化鎢上。為了去除制備過(guò)程中引入的不必要的雜質(zhì)，他們需要將材料加熱到260℃處理半小時(shí)。這種方法可以利用材料之間的作用力將雜質(zhì)擠出去，從而留下一個(gè)干凈的表面^[2]。這樣，新的材料就誕生了。

通過(guò)這種方法，研究團(tuán)隊(duì)讓兩個(gè)原子層通過(guò)范德瓦耳斯力——也就是分子間的微弱作用力連在一起?！坝捎趯优c層之間的作用力較弱，因此可以任選兩種材料，并將一種材料放到另外一種材料的上面?！焙渭溢鹘榻B說(shuō)，“這種方法可以將更多的材料粘合在一起，從而制造數(shù)量可觀的新材料。”

將材料順利搭好后，就離成功就還有一步之遙了——測(cè)試新材料是否能成為合格的異質(zhì)結(jié)（作者注：兩種不同半導(dǎo)體材料組成的接觸界面，電荷可以在兩者之間流動(dòng)），在它的崗位上把光能轉(zhuǎn)化為電能。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)其進(jìn)行了超快激光光譜測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其層間電子發(fā)生了超快且高效的轉(zhuǎn)移與復(fù)合現(xiàn)象。

一個(gè)新型材料終于搭建完畢，這也是世界上首次成功合成的單層石墨烯-單層二硫化鎢異質(zhì)結(jié)，并對(duì)其進(jìn)行了超快激光光譜測(cè)量。兩塊不合適的積木，通過(guò)范德瓦爾斯力成功搭在了一起。

好奇心不止，搭更多“原子積木”

該研究中新材料的合成，讓人們看到新型柔性太陽(yáng)能電池和顯示屏幕的曙光，你的手機(jī)屏幕會(huì)快能隨意折疊了。研究團(tuán)隊(duì)仍像好奇的小孩子一樣，在努力研制更多“原子積木”，如單層MoS2-MoSe2范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)，它有更好的光電性質(zhì)，可應(yīng)用于光伏器件和光探測(cè)器件。說(shuō)不定哪一塊積木，就會(huì)成為改變世界的那一塊。（編輯：球藻怪）