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納米材料是指材料在某一維、二維或三維方向上的尺度達到納米尺度。納米材料可以分為零維材料、一維材料、二維材料、三維材料。零維材料是指電子無法自由運動的材料，如量子點、納米顆粒與粉末。
定義
一維材料是指電子僅在一個非納米尺度方向上自由運動（直線運動），如納米線性結(jié)材料、量子線，最具代表的是碳納米管（carbon nanotube）。
三維材料是指電子可以在三個非納米尺度上自由運動，如納米粉末高壓成型或控制金屬液體結(jié)晶而得到的納米晶粒結(jié)構(gòu)（納米結(jié)構(gòu)材料）。
起源
二維材料是伴隨著2004年曼切斯特大學（University of Manchester）Geim 小組成功分離出單原子層的石墨材料——石墨烯（graphene） 而提出的。石墨烯突出的特點是單元子層厚，高載流子遷移率、線性能譜、強度高。無論是在理論研究還是應用領(lǐng)域，石墨烯都引起了極大的興趣，Geim本人稱之為“God Rush（淘金熱）”。
后續(xù)又有一些其他的二維材料陸續(xù)被分離出來，如氮化硼（BN）、二硫化鉬（MoS2）。最近在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域有著廣泛的研究。
特點
二維材料因其載流子遷移和熱量擴散都被限制在二維平面內(nèi)，使得這種材料展現(xiàn)出許多奇特的性質(zhì)。其帶隙可調(diào)的特性在場效應管、光電器件、熱電器件等領(lǐng)域應用廣泛；其自旋自由度和谷自由度的可控性在自旋電子學和谷電子學領(lǐng)域引起深入研究；不同的二維材料由于晶體結(jié)構(gòu)的特殊性質(zhì)導致了不同的電學特性或光學特性的各向異性，包括拉曼光譜、光致發(fā)光光譜、二階諧波譜、光吸收譜、熱導率、電導率等性質(zhì)的各向異性，在偏振光電器件、偏振熱電器件、仿生器件、偏振光探測等領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
應用前景
二維材料，特別是二維半導體材料，因其獨特的物理和化學性質(zhì)，展現(xiàn)出了廣泛的應用前景。以下是對二維材料應用前景的詳細分析：
1. 電子學與光電子學領(lǐng)域
二維半導體材料，如石墨烯、黑磷、過渡金屬二硫化物等，具備高載流子遷移率和優(yōu)異的電學性能，使其成為制備高性能晶體管和傳感器的理想選擇。這些材料能夠顯著提升器件的效率和速度，為未來納米電子學的發(fā)展提供重要支撐。
柔性顯示屏與光電傳感器：
二維材料的透明性和光學特性使其在柔性顯示屏和光電傳感器領(lǐng)域具有廣泛應用前景。這些材料可以應用于各類基板上，為柔性電子學的發(fā)展帶來前所未有的機遇。
2. 能源領(lǐng)域
二維半導體材料在能源存儲和轉(zhuǎn)換方面也表現(xiàn)出巨大潛力。它們的應用有望推動電池和太陽能電池等領(lǐng)域的創(chuàng)新，提升能源轉(zhuǎn)化效率并促進可再生能源的發(fā)展。
3. 量子通信與計算
量子現(xiàn)象與器件：
二維過渡金屬碲化物等材料展現(xiàn)出特有的量子現(xiàn)象，如超導和巨磁電阻等，這些特性使其成為下一代低功耗器件和高密度磁性存儲器件的候選材料。同時，這些材料在量子通信等領(lǐng)域也展現(xiàn)出重要應用潛力，有望推動量子技術(shù)的進一步發(fā)展。
4. 催化領(lǐng)域
電催化劑：
過渡金屬碲化物納米片表面具有豐富可調(diào)的活性位點，可用作制備綠氫和雙氧水的電催化劑。這些材料能夠提高催化劑的選擇性、效率和性能，為清潔能源的生產(chǎn)和利用提供有力支持。
5. 宏量制備與加工性能
宏量制備技術(shù)：
隨著二維材料宏量制備技術(shù)的不斷發(fā)展，如固相化學插層剝離法等新方法的應用，二維材料的產(chǎn)量和質(zhì)量得到了顯著提升。這為二維材料的廣泛應用提供了堅實基礎(chǔ)。
良好的加工性能：
利用宏量制備技術(shù)制備出的二維過渡金屬碲化物納米片具有良好的加工性能，可以作為各種功能性漿料，實現(xiàn)薄膜、絲網(wǎng)印刷器件、3D打印器件、光刻器件的高效和定制化加工。這為二維材料在高性能量子器件、柔性電子、微型超級電容器等多個領(lǐng)域的應用提供了更多可能性。
6. 替代傳統(tǒng)硅基半導體材料
突破物理極限：
隨著傳統(tǒng)半導體器件微型化達到物理極限，摩爾定律逐漸失效。二維材料以其獨特的優(yōu)勢成為有希望取代傳統(tǒng)硅基半導體材料的候選者之一。它們能夠突破三維材料的極限，為半導體產(chǎn)業(yè)帶來新的發(fā)展機遇。
綜上所述，二維材料在電子學與光電子學、能源、量子通信與計算、催化以及替代傳統(tǒng)硅基半導體材料等多個領(lǐng)域均展現(xiàn)出廣闊的應用前景。隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷發(fā)展，我們可以預見二維材料將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為人類生活和科技發(fā)展帶來更多便利和突破。
和三維材料區(qū)別
二維材料和三維材料在多個方面存在顯著區(qū)別。以下是對這兩類材料的詳細比較：
一、定義與結(jié)構(gòu)特點
二維材料：
定義：二維材料是指電子僅可在兩個維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運動（平面運動）的材料。
結(jié)構(gòu)特點：二維材料具有納米級厚度，電子的運動被限制在二維平面內(nèi)。典型的二維材料如石墨烯、二硫化鉬等，它們具有單層或多層原子厚度的片狀結(jié)構(gòu)。
三維材料：
定義：三維材料是指電子可以在三個維度的非納米尺度上自由運動的材料。
結(jié)構(gòu)特點：三維材料在空間上具有三維結(jié)構(gòu)，電子的運動不受維度的限制。常見的三維材料包括金屬、塑料、石墨等，它們在宏觀尺度上表現(xiàn)出立體的形態(tài)。
二、物理與化學性質(zhì)
二維材料：
由于其超薄的厚度和量子限域效應，二維材料表現(xiàn)出許多奇特的物理和化學性質(zhì)。例如，石墨烯具有高載流子遷移率、線性能譜和超高強度等特點。
二維材料的帶隙可調(diào)，使其在場效應管、光電器件、熱電器件等領(lǐng)域具有廣泛應用。
不同的二維材料還表現(xiàn)出電學特性或光學特性的各向異性。
三維材料：
三維材料具有更廣泛的物理和化學性質(zhì)范圍，這取決于其具體的化學成分和晶體結(jié)構(gòu)。
三維材料通常具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，適用于各種工業(yè)應用。
三、應用領(lǐng)域
二維材料：
二維材料因其獨特的性質(zhì)在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。例如，石墨烯被廣泛應用于電子器件、傳感器、能源存儲和轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。
其他二維材料如二硫化鉬、二硫化鎢等也在光電器件、催化等領(lǐng)域得到應用。
三維材料：
三維材料是工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中最常用的材料類型。它們在建筑、交通、電子、化工等多個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
三維材料還可以用于制備納米材料、電化學儲能材料、傳感器等高科技產(chǎn)品。
四、制備難度與成本
二維材料：
二維材料的制備通常具有較高的難度和成本。這是因為二維材料需要精確控制其厚度和晶體結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)所需的物理和化學性質(zhì)。
然而，隨著制備技術(shù)的不斷發(fā)展，二維材料的生產(chǎn)成本正在逐漸降低，其應用范圍也在不斷擴大。
三維材料：
相比之下，三維材料的制備通常更為簡單和經(jīng)濟。許多三維材料可以通過傳統(tǒng)的工業(yè)方法如冶煉、注塑、壓制等進行大規(guī)模生產(chǎn)。
三維材料的生產(chǎn)成本較低，適用于各種大規(guī)模應用。
綜上所述，二維材料和三維材料在定義、結(jié)構(gòu)特點、物理與化學性質(zhì)、應用領(lǐng)域以及制備難度與成本等方面存在顯著區(qū)別。這些區(qū)別使得兩類材料在不同領(lǐng)域具有各自獨特的優(yōu)勢和應用價值。
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