神奇的二維材料，國家標準已經(jīng)出爐?

自2010年石墨烯獲得諾貝爾物理學(xué)獎以來，科學(xué)家和產(chǎn)業(yè)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(xiàn)出超優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)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(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)

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(shù)語 第13部分：石墨烯及相關(guān)二維材料》正式發(fā)布了。然而，大家可能沒意識到，這個標準也是二維材料領(lǐng)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(shù)語，因此對整個新型二維材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都具有非常重要的意義。

那么，什么是二維材料？

根據(jù)國家標準的定義，由一層或幾層構(gòu)成，其中每一層內(nèi)的原子與所在層內(nèi)的鄰近原子緊密成鍵結(jié)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(qū)分二維材料及體材料的臨界層數(shù)與被測材料及其性質(zhì)相關(guān)。對于石墨烯層的數(shù)量，從電學(xué)測試而言，當(dāng)其厚度小于或等于10層時是二維材料，當(dāng)其厚度大于10層時已與體材料，亦即石墨，無明顯區(qū)別。

2：層間結(jié)合明顯不同并弱于層內(nèi)結(jié)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(yōu)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(diào)控能帶結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性，譬如硅烯(silicene)和磷烯(phosphorene)。二維材料可以是導(dǎo)體、半導(dǎo)體，也可以是絕緣體；可以是化學(xué)惰性，也可以隨時進行表面化學(xué)修飾。概括起來，主要有以下3個優(yōu)勢：

1）更利于化學(xué)修飾，可以調(diào)控催化和電學(xué)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(lǐng)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(xué)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(xué)家發(fā)現(xiàn)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(xué)科跨度大、范疇廣、種類多，一直以來呈現(xiàn)多點開花、新現(xiàn)象、新應(yīng)用頻出的創(chuàng)新態(tài)勢。二維材料是當(dāng)下最前沿的科研應(yīng)用領(lǐng)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(dǎo)體制造等，具有十分優(yōu)異的機械、熱學(xué)、光學(xué)特性，是多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)顛覆式創(chuàng)新的基礎(chǔ)。

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(xué)等單位起草。泰州巨納新能源有限公司于2010年成立，是國內(nèi)最早從事石墨烯研究、檢測、應(yīng)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(dān)江蘇省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)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(yè)界客戶提供了高質(zhì)量的零維、一維、二維材料。2016年12月，經(jīng)國家標準委和中國科學(xué)院批準，承擔(dān)全國納米技術(shù)標準化技術(shù)委員會低維納米結(jié)構(gòu)與性能工作組（編號為SAC/TC279/WG9）秘書處，負責(zé)協(xié)調(diào)和組織全國低維納米材料的標準化工作。2016年底，承擔(dān)中國國際石墨烯資源產(chǎn)業(yè)聯(lián)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(yīng)用與標準研討會（LDMAS2018）。