本书涵盖后石墨烯时代二维纳米片材料的技术动向与展望，涉及基础物性、合成工艺、产业用途等。分3篇共8章，主要内容包括：物性评价与结构解析技术，如Ⅳ族单原子层电子理论、过渡金属二硫属化物物性等；合成与成膜加工技术，如新型二维材料制备、二维纳米片合成等；按行业应用开发，涉及电子学、光子学、能源与环境领域。全面阐述后石墨烯时代二维纳米片材料的制备方法与多领域应用前景，为相关领域研究人员提供丰富的知识与技术参考。
本书适合材料科学领域研究者及对后石墨烯材料感兴趣的读者。

主编及执笔者名单
序　二维纳米片材料的技术动向与展望
第1篇　基础物性与结构分析技术
第1章　基础物性2
第1节　Ⅳ主族单原子层的电子理论2
1　引言2
2　硅烯和锗烯的电子理论2
3　具有原子缺陷和原子置换的Ⅳ主族单原子膜6
第2节　TMD的电子物理性质——从半导体到超导体13
1　TMD(Transition-metal dichalcogenide)13
2　2H型——Ⅵ副族TMD：半导体特性13
3　2H型——Ⅴ副族TMD：金属和超导体特性16
4　1T′型——Ⅵ副族TMD——拓扑材料18
5　关于理论分析方法19
6　TMD的面内异质结构20
第3节　单层TMD中的光学性质和能谷物理性质21
1　引言21
2　单层TMD的电子状态22
3　单层TMD的光学性质24
4　单层TMD的能谷物理性质26
5　总结28
第4节　拓扑超薄膜·异质结构与表面电子态29
1　拓扑绝缘体29
2　拓扑绝缘体薄膜的制备31
3　拓扑绝缘体薄膜的表面电子态32
4　由拓扑绝缘体的磁性扩展实现的强磁性异质结构34
5　总结38
第5节　基于计算科学的Ⅳ主族二维材料研究39
1　引言39
2　非晶态Al2O3绝缘膜上的硅烯和锗烯40
3　通过氢脱附合成硅烯和锗烯42
4　总结44
第2章　结构分析技术46
第1节　在银（Ag）基板上制备硅烯和硅烯纳米带的综合解析46
1　在Ag（111）基板上生长的硅烯46
2　（4×4）相的几何结构和电子状态48
3　（4/3×4/3）相的几何结构与电子状态50
4　在Ag（110）基板上生长的硅烯纳米带的几何结构及电子特性52
5　总结54
第2节　使用AFM对硅烯的局部结构解析56
1　引言56
2　AFM57
3　4×4相58
4　13×13相59
5　T相61
6　总结62
第3节　二维晶体薄膜/基板界面结构解析技术63
1　引言63
2　TRHEPD64
3　TRHEPD的特点65
4　结构分析实例67
5　总结70
第4节　二维材料的光电子能谱电子结构分析70
1　引言70
2　使用MBE法制备原子层MX2薄膜71
3　VSe2单原子层的电子结构分析72
4　NbSe2单原子层的电子结构分析75
5　未来展望77
第5节　分析BP（磷烯）中的电子跃迁现象79
1　引言79
2　BP的物理性质79
3　实验方法80
4　使用ARPES测定正孔的有效质量83
5　BP的TARPES实验83
6　未来展望85
第2篇　合成与成膜加工技术
第1章　新型二维物质材料的制备88
第1节　由Ⅳ主族元素构成的蜂窝晶格二维材料的制备88
1　引言88
2　利用合金表面制备平面锡烯88
3　利用偏析法制备锗烯90
4　利用合金薄膜制备铅烯92
5　总结与未来展望93
第2节　硼的单原子层：硼烯94
1　硼烯的理论研究94
2　B单原子层的生长94
3　硼烯的狄拉克电子系统96
4　硼烯的未来展望98
第3节　TMD的制备与物理性质99
1　引言99
2　TMD的晶体生长与光学响应99
3　总结106
第2章　二维纳米片合成技术108
第1节　Si和Ge二维化合物的合成与物理性质108
1　引言108
2　层状Si和Ge的结构108
3　通过化学修饰实现单层剥离109
4　电子物性的调控110
5　二层硅烯111
6　多层锗烯113
7　CaSi2定向薄膜113
8　结语114
第2节　氧化物纳米片的精密合成与应用115
1　引言115
2　氧化物纳米片的合成116
3　氧化物纳米片的精密集成及其应用118
4　总结120
第3节　具有规则纳米孔有机无机聚合物纳米片的液相界面合成121
1　引言121
2　MOF纳米片的液相界面合成122
3　通过液相界面合成HOF纳米片127
4　气液界面法在二维纳米材料合成中的特殊性和优势132
5　总结133
6　今后的发展方向134
第4节　利用柔性层状物质和材料信息学的高效纳米片合成技术135
1　引言135
2　柔性层状结构的制备及其剥离生成纳米片的合成和应用137
3　利用材料信息学对剥离行为进行调控140
4　总结142
第3章　二维纳米片的成膜加工技术145
第1节　TMD的转移与应用发展145
1　引言145
2　TMD的转移方法145
3　TMD的掺杂147
4　TMD的模板应用148
5　总结与未来展望150
第2节　简便而快速的二维材料纳米薄膜制备方法151
1　引言151
2　采用旋涂法实现纳米片致密排列单层膜具体技术的实际应用152
3　纳米片的致密排列机制154
4　多层膜构筑156
5　总结157
第3节　基于Si基板的二硼化物薄膜上自发形成的硅烯片158
1　引言158
2　在二硼化物薄膜上形成硅烯159
3　通过溅射去除并重新形成二硼化物薄膜上的硅烯160
4　总结162
第4节　利用共晶体系中析出现象的Ⅳ主族元素纳米片形成技术163
1　引言163
2　二维晶体模板用Si1-yGey（111）基板上Ag层的化学结构及稳定性164
3　Ag/Ge（111）结构中Ge原子的析出现象166
4　总结171
第5节　硒化铁（FeSe）电双层晶体管（EDLT）的开发172
1　引言172
2　EDLT的功能性174
3　FeSe-EDLT175
4　通过刻蚀观测高温超导性177
5　研究进展和未来展望178
6　总结180
第3篇　各产业领域的应用开发
第1章　电子学领域184
第1节　二维层状隧穿场效应晶体管（TFET）184
1　引言184
2　对二维界面特性的理解185
3　两种异质结构187
4　高浓度二维晶体源极的形成187
5　p+-WSe2/n-WSe2异质结构TFET188
6　总结191
第2节　使用交流磁场的层状半导体器件霍尔效应测量方法192
1　引言192
2　使用交流磁场的霍尔效应测量系统的频率特性193
3　样品制备与测试方法194
4　以MoS2为沟道的FET实验结果195
5　总结198
第2章　光子学领域200
第1节　BP纳米层状材料用于宽波段太阳光响应型光催化剂的开发200
1　引言200
2　太阳光响应型光催化剂201
3　BP纳米层状材料用于宽波段太阳光响应型光催化剂201
4　总结207
第2节　基于氮氧化物纳米片的水分解光催化剂的开发208
1　引言208
2　水分解光催化剂面临的课题209
3　纳米片光催化剂的优势210
4　氮氧化物纳米片212
5　Ca2Nb3O9.7N0.2纳米片212
6　M2Ta3O10-xNy纳米片（M为Ca，Sr，Ba）214
第3节　无机纳米片胶体液晶的开发219
1　引言219
2　无机纳米片液晶的形成219
3　无机纳米片液晶的结构221
4　结构色的显现223
5　外场对液晶的操控225
6　电场操控225
7　电场诱导的无机纳米片液晶的层级宏观组织化226
8　光操控228
9　总结229
第4节　单层TMD 光功能性的探索230
1　引言230
2　TMD的晶体结构和电子态231
3　FET结构对单层TMD的光学控制233
4　单层TMD的能谷极化控制235
5　通过人工异质结构对单层TMD的光学控制236
6　总结238
第3章　能源与环境领域240
第1节　氧化钌剥离纳米片的合成及其
电化学器件中的应用240
1　引言240
2　钌氧化物剥离纳米片的合成240
3　钌氧化物剥离纳米片的电化学特性241
4　电化学电容器正极应用242
5　燃料电池电极催化剂应用245
6　总结247
第2节　利用双吡啶纳米片开发高效率太阳能电池组件249
1　引言249
2　无机纳米片和分子纳米片249
3　配位纳米片250
4　联吡啶金属配合物纳米片250
5　三联吡啶金属配合物纳米片254
6　总结256
第3节　利用金属氧化物纳米片的堆叠型分离膜的开发257
1　引言257
2　利用纳米片的分离膜开发258
3　金属氧化物纳米片堆叠膜259
4　总结262
第4节　硅酸盐纳米片吸附与分离的科学263
1　引言263
2　结构与形状的多样性264
3　与水相关的吸附现象269
4　总结272

二维纳米片材料的技术动向与展望

名古屋大学　柚原淳司

在功能材料和电子设备的开发中，除了更轻更薄的社会需求外，节约资源也变得越来越重要。具有纳米级厚度的二维物质纳米片材料作为极薄功能材料引起了广泛关注。此外，由于其展现出宏观材料所不具备的独特化学和物理性质，其基础特性也备受关注，研究和开发如火如荼。近年来，不仅仅是单质材料，有机高分子和无机化合物等各种纳米片材料也被开发出来。这些材料借助纳米片的形状和层叠结构，扩展了其在设备应用、分离膜、分子传感器、催化剂以及能源生产和储存材料等方面的应用。本书从二维纳米片材料的基础物性和结构评价技术开始，介绍了真空中的制备技术、化学合成技术，以及应用开发的实例。
首先受到关注的二维纳米片材料是石墨烯。石墨烯是一种由碳原子构成的二维蜂窝状材料，可以通过胶带剥离法从石墨中分离出来。由于其对弯曲的机械强度极佳，且展现出独特的电子状态，因此在世界范围内被广泛研究。关于石墨烯的详细信息，请参阅NTS出版的《石墨烯开启材料的新领域》和《碳纳米管和石墨烯的应用研究最前沿》等书籍。本书将介绍石墨烯以外的“后石墨烯材料”的前沿研究。
将构成石墨烯的碳元素替换为周期表中同族的Ⅳ主族元素所形成的二维蜂窝状材料，既保留了石墨烯的独特电子状态，又有望作为可控导电性材料应用于电子设备。由于其几何结构中的翘曲程度，以及较重元素带来的更强的自旋轨道相互作用，预计会产生能量间隙。此外，从自旋轨道相互作用和拓扑绝缘体的角度来看，这些材料也备受关注。事实上，Ⅳ主族的后石墨烯材料，如硅烯（Silicene，Si）和锗烯（Germanene，Ge），其独特的电子状态在20多年以前就已由武田氏和白石氏进行了理论预测。
2010年诺贝尔物理学奖授予石墨烯的制备者后，Ⅳ主族的后石墨烯材料也引起了广泛关注。2012年，法国、日本和中国的研究小组相继宣布成功制备出“硅烯”，后石墨烯研究迅速扩展。
在此之后，2014年成功制备了“锗烯”，2015年制备了“锡烯”（Stanene，锡的拉丁名称是Stannum），而2019年制备了被视为最高目标的“铅烯”（Plumbene，铅的拉丁名称是Plumbum）。除了Ⅳ主族元素外，Ⅲ主族、Ⅴ主族以及Ⅵ主族元素的单一元素二维纳米片的制备或合成研究尤其活跃。包括成功制备了“碲烯”（Tellurene，2014年）、“硼烯”（Borophene，2015年）、“磷烯”（Phosphorene，2016年）、“锑烯”（Antimonene，2017年）、“硒烯”（Selenene，2017年）、“铋烯”（Bismuthene，2017年）、“镓烯”（Gallenene，2018年），以及“砷烯”（Arsenene，2019年）。此外，关于贵金属元素（Au、Ag、Cu）、铂族元素（Ru、Rh、Pd、Pt）、铁族元素（Fe、Co、Ni）组成的二维纳米片的研究也有报道。
有关化合物二维纳米片的研究也非常活跃。其中心研究对象是过渡金属二硫属化物（Transition Metal Dichalcogenides，简称TMD）。TMD是由过渡金属和硫系元素（S、Se、Te）组成的化合物，通过元素的组合可以分别制备金属（如NbS2）、半导体（如MoS2）和绝缘体（如HfS2）。块状的MoS2是具有约1.3eV带隙的间接带隙半导体，而单原子层的MoS2是具有约1.8eV带隙的直接带隙半导体，因此，从间接带隙向直接带隙的转变也引起了广泛关注。此外，通过层叠这些层状物质，可能创造出前所未有的新材料体系，这也备受期待。化合物二维纳米片中，还有六方氮化硼（h-BN）、金属氧化物纳米片、金属氮化物纳米片，以及通过添加剂或缺陷改进功能的纳米片，甚至包括有机化合物纳米片。后石墨烯材料的多样性和潜力是无穷的。
本书旨在介绍这些二维纳米片的前沿研究，特别是“后石墨烯材料的制备与用途开发前沿”。第1篇“基础物性与结构分析技术”介绍了基础物性以及几何结构和电子结构的评价技术。第2篇“合成与成膜加工技术”介绍了在真空下的制备技术和化学合成技术的最新进展。第3篇“各产业领域的应用开发”由各领域的专家撰写，涵盖了电子、光子、能源和环境等诸多领域。
由于本研究属于跨学科融合领域，研究人员有着广泛的活跃范围，因此没有统一的学术会议来汇集所有研究成果，将其系统地汇编成书籍也并非易事。这次出版本书，得到了各领域从事前沿研究的专家们的大力协助。在此，向欣然接受撰写任务的各位表示感谢。希望本书能在二维纳米片研究、应用和产业化方面得到充分利用。