以下文章来源于低维 昂维 ，作者低维 昂维
二维柔性纳米电子学是研究和开发基于二维材料的柔性电子器件的领域。二维材料是具有原子薄层结构的材料，如石墨烯、二硫化钼、二硫化钼等。这些材料具有独特的电子和光学性质，并且能够在柔性基底上进行制备和集成，从而实现柔性电子器件的制作。
二维柔性纳米电子学的研究有望克服传统刚性电子器件的局限性，如体积庞大、重量重、可扩展性差等。通过利用二维材料的柔性特性，可以实现超薄、轻便、可弯曲的电子器件，在柔性显示器、柔性传感器、可穿戴电子设备、生物医学传感器等领域具有广泛应用前景。
近日，来自韩国世宗大学Sikandar Aftab教授团队联合沙特国王大学的研究人员在Advanced Materials上以Latest Innovationsin Two-dimensional Flexible Nanoelectronics为题发表综述文章，总结了二维柔性纳米电子学的最新技术。这篇综述将二维柔性纳米材料分为两类进行讨论：一是从单一半导体材料中或者使用各种纳米材料的范德华异质结构中产生应变，这些应变必须避免，以便生产应变无关的器件；二是应变是必需的，例如压敏应用。为了赋予可伸缩性，文中讨论了可伸缩纳米电子学在电子皮肤中的应用以及对比了2D柔性电子器件的特点和功能，同时还涉及了材料和结构工程的方法。最后，文章提供了关于在柔性电子学中使用2D材料的当前困难和前景的分析。
图1二维柔性电子学可以分为两类：压力敏感型和应力不敏感型。
图源：Advanced Materials (2023).
二维柔性纳米材料是指具有纳米尺度厚度的材料，具有高度柔韧和可弯曲的特性。这些材料通常由单层或少层原子组成，如石墨烯、二硫化钼、二硫化钨等。与传统材料相比，二维柔性纳米材料具有以下特点。
首先，二维柔性纳米材料具有高度柔韧性，能够在弯曲和拉伸的情况下保持结构的完整性。由于其纳米尺度的厚度和特殊的结构，这些材料可以承受大范围的形变而不破裂或失去功能。这使得二维柔性纳米材料成为制备柔性电子器件和可穿戴设备的理想选择。无论是弯曲的显示屏、可拉伸的传感器还是可弯曲的电池，二维柔性纳米材料都能够适应各种复杂的形状和变化。
其次，二维柔性纳米材料具有巨大的比表面积。由于其纳米尺度的厚度，二维材料的表面积相对较大，为催化、吸附和储能等应用提供了良好的条件。例如，二维柔性纳米材料可用于制备高效的催化剂，提供更多的活性位点和更快的反应速率。此外，在吸附材料中，二维纳米材料的大比表面积使其能够吸附更多的分子或离子，从而实现更高的吸附容量和选择性。
最后，二维柔性纳米材料具有优异的电子传输性能。由于其结构中的原子层间距非常小，载流子在材料内的迁移路径非常短，导致较低的电阻和更快的载流子传输速度。这使得二维柔性纳米材料成为制备高性能电子器件的理想选择。例如，石墨烯作为一种具有优异电子传输性能的二维材料，可用于制备高速晶体管和高频电子器件。此外，二硫化钼和二硫化钨等材料也具有较高的载流子迁移率和较低的电阻，适用于光电器件和能源转换器件等领域。
图2. 不同应变下范德华滑动接触和电极伸展装置的实验结果
图源：Advanced Materials (2023).
在制备方面，目前最常用的方法之一是石墨烯的机械剥离。石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶格结构，具有出色的导电性和柔韧性。机械剥离是一种通过机械力将石墨烯从三维材料中剥离出来的方法。最早的机械剥离方法可以追溯到2004年，当时安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫等科学家成功地使用胶带将石墨烯从石墨中剥离出来，并证明了其独特的二维性质。
除了机械剥离，化学气相沉积也是制备二维柔性纳米材料的重要方法之一。化学气相沉积是通过在合适的底物上使气态前体分解并沉积出薄膜的过程。在二维材料的制备中，通常会使用金属蒸发源和碳源，通过在适当的反应条件下使其反应生成二维材料。例如，通过在合适的基底上引入碳源和金属催化剂，可以在高温下实现石墨烯的化学气相沉积。这种方法可以实现大面积、连续和可控的二维材料制备，具有很高的应用潜力。
此外，液相剥离也是制备二维柔性纳米材料的一种重要方法。液相剥离是指将二维材料从其生长基底上转移到其他基底或载体上的过程。在液相剥离过程中，首先需要在二维材料和基底之间引入适当的分离层，然后通过浸泡或机械剥离等方法将二维材料从生长基底上剥离下来，并转移到目标基底上。这种方法可以实现对二维材料的可控制备和定向传输，对于研究和应用中的二维材料具有重要意义。
除了上述常用的制备方法，还有许多其他方法也被用于制备二维柔性纳米材料，如电子束蒸发、离子束剥离、溶液剥离等。每种方法都有其独特的优点和适用性，可以根据不同的需求和材料特性选择合适的方法。
尽管目前已经取得了一定的进展，但在二维柔性纳米材料的制备方面仍然存在一些挑战和难点。首先，制备过程中需要解决材料的可扩展性和一致性问题，以实现大规模的制备。其次，需要进一步改进制备方法，提高材料的质量和晶格结构的控制性。此外，制备过程中的杂质和缺陷问题也需要解决，以提高材料的性能和稳定性。
为了克服这些挑战，研究人员正在不断探索和改进制备方法。他们致力于开发新的材料合成路线、优化反应条件和改进表征技术，以实现更高效、可控和可扩展的制备过程。同时，还在探索新的二维材料和复合材料，以拓宽材料的应用范围和性能。
图3. 二维柔性纳米折纸结构对器件性能的影响。
图源：Advanced Materials (2023).
二维柔性纳米材料作为一种新兴材料，在电子、能源和生物医学等领域展示出巨大的应用潜力。通过充分发挥其高度柔韧、大比表面积和优异电子传输性能等特点，二维柔性纳米材料有望在各个领域取得重要的科学研究和实际应用。
在电子领域，二维柔性纳米材料可以应用于柔性电子器件的制备。石墨烯等材料的高度柔韧性使其成为可弯曲、可拉伸的电子设备的理想材料。此外，二维柔性纳米材料还可用于制备高灵敏度的传感器，用于环境和生物信号的检测。
在能源领域，二维柔性纳米材料展现出广泛的应用前景。其大比表面积和优异的电子传输性能使其成为锂离子电池和光伏器件等领域的理想材料。通过利用这些材料制备高性能电极，可以提高电池的能量密度和循环寿命，实现更高效的能量转换。
在生物医学领域，二维柔性纳米材料也具有重要的应用价值。可穿戴设备是其中一个应用方向，通过将二维柔性纳米材料集成到可穿戴设备中，可以实现对生命体征的实时监测，例如心电图和血糖检测。此外，这些材料还可用于制备高灵敏度的生物传感器，用于检测生物分子和细胞信号，对于早期疾病诊断和生物医学研究具有重要意义。
综上所述，二维柔性纳米材料作为一种新兴材料，在电子、能源和生物医学等领域展示出巨大的应用潜力。通过不断改进制备方法和材料性能，我们有望开发出更多高性能、柔性和可应用的二维柔性纳米材料，推动科技的进步并改善人类生活质量。在未来，这些材料将在各个领域发挥越来越重要的作用，实现更多有益的创新和应用。
参考文献：
Sikandar Aftab, Sajjad Hussain, Abdullah A. Al-Kahtani. Latest Innovations in Two-dimensional Flexible Nanoelectronics. Advanced Materials (2023).
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202301280
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