被两层氮化硼包覆的二硫化钼。（来源：Gwan-Hyoung Lee/延世大学）

在2013年，哥伦比亚大学机械工程学院的James Hone和Wang Fong-Jen教授以及他们在哥伦比亚大学的同事证实，他们可以显著提高石墨烯这种高传导性二维碳材料的性能，方法是用一种具有相似层状结构的材料碳化硼（BN）进行包覆。在本周《自然纳米技术》的在线出版物上发表的研究中，来自哥伦比亚大学、哈佛大学、康奈尔大学、明尼苏达大学和韩国延世大学、丹麦科技大学、日本国家材料科学研究所的研究人员们已经展示，另外一种2D材料二硫化钼也可以通过类似的方法用氮化硼提高性能。

“这一发现提供了一种如何研究所有2D材料的范例，”这项新研究的领导者，哥伦比亚大学国家科学基金会赞助下的材料研究科学与工程中心负责人Hone说，“我们将氮化硼和石墨烯的结合物就像个‘插座’，我们可以将很多其他材料放进里面，并在一个极端清洁的环境中研究这些材料的真实性能和潜能。这项技术在包括高性能电子产品、光的检测和发射、化学生物传感器在内的广泛应用领域具有很大的前景。“

通过从块状晶体上“剥离”原子级厚度的材料得到的二维（2D）材料极具延展性和透光性，并且，这种材料可以相互结合以及与传统电子材料以一种全新的方式结合。但是这种所有原子全在表面的材料根据它们的本质，对环境极其敏感，且由于周围环境中绝缘层材料的污染和捕获的电子，二维材料的性能通常远远不及这种材料的理论界限。去年由Hone’s的小组制造的由氮化硼包覆的石墨烯的电子迁移率提高了50倍，电子迁移率是电性能的重要检测指标；此外，这种材料更低的无序性使得对低温和高磁场下丰富的新现象进行研究。

“二硫化钼是研究最好的2D半导体材料，我们想看我们能用二硫化钼做什么，且与石墨烯不同，这种材料可以组成一种可以被完全‘关闭’的晶体管，这是数字电路的关键属性，”延世大学材料科学系的助理教授、文章共同作者Gwan-Hyoung Lee说。过去，在像二氧化硅这样的常见绝缘基材上制作的二硫化钼器件显示出低于理论预期的迁移率，样品之间各有差异，且在低温下保持低迁移率，这都是一种无需材料的象征。研究人员并不知道无序是由于基材，本例中的基材是石墨烯，或者是由于材料本身的缺陷。

在这项新研究中，Hone’s的团队创造了由氮化硼包覆的异质结构，或者说多层结构的二硫化钼，在二硫化钼的边缘覆盖几层小的片状石墨烯作为电触头。他们发现材料室温的电子迁移率向理论上限迁移了2个因子。随着温度降低，迁移率明显提高，达到前值的5-50倍（根据原子层数的不同）。另一个无序性降低的标志，是这些高迁移率样品同时也表现出了强烈的磁阻震荡，这是以前在2D半导体中从未被观察到的。

“这种新器件结构使我们第一次能够在低温下研究材料中的量子传输行为。”文章的第一作者，哥伦比大工程学博士Xu Cui补充说。

通过分析低温磁阻和量子震荡，这个研究团队能够得出无序的来源是表面的污染这一结论，表明进一步的提升是有可能的。

“既然我们还没有达到材料性能的内在限制，这项研究激励我们进一步提升我们的器件组装技术，”Hone说。“经过进一步提高，我们希望建立2D半导体这一电子材料新家族，与传统半导体异质结构竞争，但材料的制造却是通过实验室长凳上的透明胶带而不是昂贵的高真空系统。”

新材料在线编译整理——翻译：田云    校正：摩天轮