成会明院士：低维材料概论- 大数跨境

科学出版社

2023-04-22

导读：小尺度，大作为

维度在一定程度上体现了人类对世界的认知。除了时间、空间显性的直观维度外，随着人类认识的深入，还发现自旋等更多隐性、抽象的维度。

如何在空间、能源都有限的地球上延续人类文明并可持续发展，是人类命运共同体面临的挑战。技术革新是解放生产力和解决重大难题的关键，包括以蒸汽机为代表的第一次工业革命，将化石燃料产生的热能转化为机械能；以电力为代表的第二次工业革命，利用发电机与电动机分别发电和用电，电子成为能量载体；以信息技术为代表的第三次工业革命，控制微型器件弱电流信号实现逻辑功能，控制电子自旋实现信息存储，利用光子传输实现信息交换。由此可见，每一次工业革命，都是建立在对物质更深层次、更微妙的理解上。正如1959年费曼的著名演讲所说“小尺度，大作为”。随着晶体管的尺寸按照摩尔定律逼近原子尺度，信息技术以后如何发展？第四次工业革命的材料基础是什么？这是当前科学家，特别是材料学家正在探索的问题。其中一个重要方向是，更深入地探索和利用低维度、小尺度上更精妙的物理原理，利用低维材料独特的结构和优异性质，实现更高效的器件和新的功能，从而解决人类面临的重大挑战。

低维材料定义为至少在一个维度上尺寸处于纳米尺度的材料，主要包括零维、一维和二维结构，以及以低维结构为基本单元构筑的复合结构、组装体和功能器件。低维材料研究以量子力学为基础，在从原子到宏观尺度的多层次、多耦合的复杂体系中，研究维度与尺度效应，建立结构-物性关联，设计、生长和加工低维材料与结构，构建功能器件，实现其在能源、环境、信息和健康等领域的应用如下图所示。

▲低维材料技术群在信息、能源、环境和健康等领域的应用：随着尺寸的减小，低维材料表现出大比表面积、低电子散射、电子带隙蓝移等性质，利用这些性质可设计和制备高性能低维器件，实现高速计算、高效能量转化、高灵敏度检测等功能，为可持续发展目标的实现做出重要贡献

低维材料体系蕴含的独特物理化学性质从诺贝尔物理学奖和化学奖上就可见一斑。诺贝尔物理学奖涉及二维电子气整数与分数量子霍尔效应（1985年、1998年）、石墨烯二维材料的发现（2010年）、拓扑相与拓扑序（2016年）、高速光电器件半导体异质结（2000年）和发光二极管（LED）的发明（2014年）。诺贝尔化学奖涉及超分子化学（1987年）、零维富勒烯（1996年）、一维聚乙炔导电聚合物（2000年）、分子机器（2016年）和锂离子电池的开发（2019年）。

中国在低维材料领域的研究发展迅速，走在世界前列。过去三十年间，在国家实施的攀登计划、973计划、纳米研究国家重大科学研究计划、量子调控研究国家重大科学研究计划、国家重点研发计划中，纳米科技一直是被重点支持的研究领域。中国纳米相关的论文发表量、ESI全球Top1%高被引论文数量、NatureIndex排名均为世界第一，涌现出一大批具有国际影响力的重要研究成果：清华大学薛其坤团队量子反常霍尔效应的实验发现、中国科学院金属研究所卢柯团队在纳米金属领域的系列发现、北京大学李彦团队和张锦团队制备出手性富集的单壁碳纳米管、中国科学技术大学侯建国团队在化学键水平上探测单分子拉曼光谱、国家纳米科学中心裘晓辉团队利用非接触原子力显微镜（AFM）观测到分子间氢键、中国科学院金属研究所任文才团队发现层状二维MoSi2N4材料家族等。与基础研究众多成果相对应，低维材料的研究成果也正在逐步走向产业化、商业化和实用化。

▲电子结构的量子限域和维度效应：（a）零维、一维和二维等低维材料的特征能级随特征尺寸（d²）的减小而反比例增大；（b）不同维度体系的态密度示意图，包括零维的分立能级、一维的范霍夫奇点、二维的台阶和三维的抛物线特征

▲低维体系中能量输运机制：电子、声子和光子等能量载体在梯度驱动力作用下，在不同尺度上表现出粒子或波动行为，在特征尺度内体现出隧穿、量子限域、弹道输运、相干传输和关联等效应，表现为量子化电导、库仑阻塞、量子干涉、量子（反常）霍尔效应、拓扑绝缘体和超导等输运性质

▲（a）低维材料功能器件中的能量转化；（b）光学过程、电磁场中电子哈密顿量和高性能量子点太阳能电池的设计（FF. 填充因子；PCE. 功率转换效率）

《低维材料概论》作者及其研究团队在低维材料领域，特别是在碳纳米管和石墨烯等低维材料的可控制备与物性探索、锂离子电池和超级电容器等电化学能量储存与转化器件、太阳能光电转化材料等方面耕耘多年。在单壁碳纳米管的宏量制备、石墨烯等二维材料的控制制备、三维石墨烯的构筑、高效储能的层次孔材料设计，以及原位电镜生长和测量等方面取得了一系列比较有价值和影响的成果。

低维材料概论

成会明等著

北京：科学出版社，2023.4

（低维材料与器件丛书/成会明总主编）

ISBN 978-7-03-074652-8

丛书策划：翁靖一

责任编辑：翁靖一，孙曼

在多年研究过程中，作者深刻体会到，要产生“0到1”的颠覆性创新成果，充分发挥低维材料的潜力并实现应用，必须回归基础。从基础理论出发，挖掘低维材料中蕴含的深层次规律和优异特性，可控制备低维材料，优化器件设计，才能构建基于新原理的新器件。因此撰写了本书，希望能给在低维材料这一宽广领域中探索的科技工作者一点脉络和启示。本书将按以下结构展开。

▲本书章节结构

第 1 章阐述低维材料的理论基础。重点介绍作为能量和信息载体的电子、光子和声子等粒子的能量形式、分布，输运和转化过程中的对称性，以及维度和限域效应。

第 2 章介绍低维材料的独特结构。在热力学框架内，讨论维度、尺度、对称性、表面能和应变能等因素的影响下，零维幻数稳定性、一维手性螺旋性、二维异质结构等异于块体晶体的结构特征。

第 3 章关注的是低维材料的制备与结构控制。分“自下而上”与“自上而下” 两种策略，以低维晶体形核与生长热力学及动力学为基础阐述低维材料的生长，在不同尺度作用力的基础上介绍低维材料层次结构的组装与加工。

第 4 章概述低维材料的结构表征。在实空间、倒空间、能量和动量空间探索低维材料的结构及其与性能的关联；以透射电子显微镜、扫描电子显微镜和扫描探针显微镜为主介绍原子尺度的原位观察、操纵和测量；以及通过谱学表征技术在原子尺度上解析低维材料的成分价态、缺陷结构和界面结构等。

第 5 章考察低维材料的力学、电学、磁学、热学、化学和光学性质，重点突出性质与维度、尺度、形状、界面等结构特征的关联，以及功能器件中各种性质的耦合。

第 6 章介绍低维材料在信息、能源和健康等领域中的应用。从器件工作原理、性能与结构的关系说明低维材料的优势、潜力、应用现状和挑战。

第 7 章总结低维材料的进展、挑战和展望。回顾基础研究中发现的新结构、发明的新技术；审视实际应用中已取得的成果、存在的问题和挑战；提出低维材料研究中仍需解决的难题和设想突破原子极限的未来发展方向。

作者简介

成会明 中国科学院院士、发展中国家科学院院士，现任深圳理工大学（筹）材料科学与能源工程学院名誉院长、中国科学院深圳先进技术研究院碳中和技术研究所所长、中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心先进炭材料研究部主任，以及Energy Storage Materials创刊主编。

主要从事新型储能材料与器件、低维材料、碳中和相关材料与技术的研究与开发。在学术刊物上已发表SCI论文900余篇（H因子155，2022年），是化学、材料、环境与生态学三个领域的国际高被引科学家。获授权中国发明专利200余项，其中高性能石墨负极材料、石墨烯材料、二维氮化硼材料等新材料与技术已孵化出多家高科技企业。出版专著《纳米碳管》、科普著作《新材料与碳中和》，作为总主编为科学出版社组织出版“低维材料与器件丛书”一套。以第一完成人荣获国家自然科学奖二等奖、何梁何利科技进步奖、国防科技进步奖二等奖；此外，还荣获美国碳学会Pettinos奖、德国Felcht奖、美国ACS Nano讲座奖等奖项。

内容简介

本书为“低维材料与器件丛书”之一。低维材料是以至少一个方向上为原子到纳米尺度的量子点、纳米晶、纳米线、纳米管、石墨烯、石墨炔及其他二维材料等为基本单元构筑的新兴材料体系，是当前凝聚态物理和材料科学的研究前沿，蕴含着精妙的理论、奇特的结构、独特的性质和能源、信息、健康等领域的广阔应用。本书简要阐述了低维材料的理论基础；介绍了低维材料的结构特点、表征方法，以及自下而上制备与组装和自上而下加工的结构控制策略；考察了低维材料的力学、电学、磁学、热学、化学和光学性质，以及其维度、尺度和耦合效应；系统梳理了低维材料与器件的应用优势、现状和挑战；在总结低维材料科学与应用中已取得巨大成就的基础上，对尚存难题、发展极限和突破方向进行了展望。本书适于从事低维材料科学研究与开发的科研人员、高等学校相关专业师生以及科研院所和企业专业技术人员参考。

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