文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/cs/d4cs00295d
这篇综述概述了液态金属在二维材料合成中的显著成绩，有合成研究背景的学者可重点关注。结合液态金属的大规模合成也许可以推动二维材料的合成质量更上一层楼。
摘要
二维材料以其独特的电子、机械和热性能而闻名，引起了广泛关注。二维材料的精确原子级合成开辟了纳米技术的新领域，为材料设计和性能控制提供了新的机会，但由于单晶固体金属催化剂的成本高昂，仍然具有挑战性。液态金属具有流动性、延展性、动态表面和各向同性，大大增强了合成二维材料所必需的催化过程，包括分解、扩散和成核，从而实现了对材料结构和性能前所未有的精确控制。此外，液态合金的出现使得创建各种异质结构成为可能，为原子工程提供了一个新的维度。该领域取得了重大成就，包括无缺陷制备、大面积自对准阵列、相工程、异质结构等。本综述从基础合成方法、液态催化剂选择、所得二维材料和原子工程等方面系统地总结了这些贡献。此外，该综述还阐明了这一不断发展的领域的前景和挑战，为深入了解该领域提供了宝贵的资源。液态金属的出现无疑彻底改变了在固体金属催化剂上制备二维材料的传统纳米技术，为下一代电子产品的发展提供了灵活的可能性。
背景和部分内容摘录
以石墨烯为首的二维 (2D) 材料种类不断增加，继续彻底改变尖端电子学和光电子学的格局，为技术进步和新型器件设计提供了无数机会。这些材料具有原子级薄结构，具有优异的电导率、机械强度、和柔韧性。石墨烯就是一个典型的例子，因其出色的电子迁移率和热导率而备受关注。早在2009年，机械剥离的单层石墨烯的迁移率就已达到 10 000 cm 2 V −1 s −1。除了电子性能外，二维材料在先进光电子设备的开发中还具有广泛的用途。其独特的光学特性，如强光与物质相互作用和可调带隙，为光子学、 传感器和成像技术的创新铺平了道路。 2D 材料的多功能性延伸到它们与各种基材的兼容性，也使得创建灵活透明的电子器件成为可能。此外，除石墨烯外，新兴的 2D 材料还包括过渡金属二硫属化物 (TMD)、2D 金属氧化物和黑磷 ，每种材料都具有适合特定应用的独特特性。例如，TMD 表现出优异的半导体特性 ，为设计出色的晶体管和光电探测器开辟了途径。此外，异质结构和扭曲 2D 材料的发展为下一代纳米电子学提供了额外的自由度。
为了实现二维材料的实际应用，其可控合成和原子尺度的精确设计具有重要意义。二维材料的传统制备通常涉及使用固体金属作为催化剂，因为金属表面有利于前体气体的分解，促进原子或分子成核和排列成所需的二维结构。金属的催化活性对于启动和维持二维材料的制备至关重要。此外，金属基底的晶体结构和表面特性会影响二维材料生长初始阶段原子的排列。成核通常发生在固体金属表面的缺陷位置或台阶边缘，随后是二维材料域的横向生长。金属表面和生长的二维材料之间的晶格匹配会影响所得层的质量和取向。因此，晶格失配、表面扩散和基底相互作用可能会导致缺陷和可扩展性的限制。因此，利用单晶固体金属生长二维材料对于绕过传统固体金属表面潜在缺陷造成的晶界至关重要，从而确保获得高质量的二维材料。然而，这种方法面临着高成本的挑战。
相比之下，液态金属的使用代表了二维材料原子级工程领域的范式转变。液态金属表现出独特的属性，包括卓越的流动性、固有的延展性、动态表面特性和各向同性行为。这些独特的性质为二维材料的合成和操控创新方法开辟了新途径，有望彻底改变二维材料的原子级工程。具体来说，液态金属出色的流动性使其能够与前体气体发生动态和连续的相互作用，从而能够对二维材料的生长和形态进行精细控制。这种流体特性有助于形成均匀、无缺陷的层，解决了传统固体金属合成方法中可能出现的与晶界和缺陷相关的挑战。此外，液态金属固有的延展性进一步增强了其适应各种基材和拓扑的多功能性，促进了与柔性和非常规表面的兼容性。这种适应性对于柔性和可拉伸电子产品的开发尤其有利，因为二维材料对复杂表面的贴合性至关重要。此外，液态金属的动态表面特性使其能够主动调节其与二维材料前体的相互作用，从而允许在生长过程中进行实时调整。这种动态控制提高了二维材料合成的精度和可重复性，为定制材料特性和功能铺平了道路。此外，液态金属的各向同性确保了与生长中的二维材料的均匀相互作用，从而使所得层具有各向同性。
这种各向同性对于需要在所有方向上具有一致材料性能的应用（例如某些电子和光电器件以及原子工程）来说是一种宝贵的特性。总之，基于液态金属的技术的探索有可能彻底改变合成工艺，为设计和优化具有定制特性以适应各种应用的先进二维材料提供前所未有的控制和多功能性。
为了更好地理解，我们主要从生长过程和机制的角度分析了在固体金属和液态金属基底上生长二维材料的比较。在固体金属基底上，生长通常通过化学气相沉积 (CVD) 或分子束外延 (MBE) 等技术进行。在 CVD 中，前体气体在固体金属表面发生反应，形成原子或分子物质，然后成核并生长成二维材料层。由于能量势垒较低，固体金属基底上的成核通常发生在缺陷位置或台阶边缘。一旦成核，二维材料域的横向生长就会继续进行，受温度、前体浓度和基底相互作用等因素的影响。相比之下，液态金属基底涉及使用诸如 Ga 基合金之类的材料，这些材料在相对较低的温度下保持液态。前体与液态金属表面相互作用，影响成核和生长动力学。由于材料的流体性质，液态金属基底具有高表面流动性。这有助于二维材料域的有效成核和快速横向生长。液态金属表面的动态特性也会影响前体的吸附和解吸动力学。固体金属基底上的生长受到晶格失配、表面扩散和基底相互作用等因素的限制，这些因素可能导致缺陷和可扩展性的限制。相比之下，由于液态金属表面的动态特性，液态金属基底上的生长表现出与固体金属基底不同的动力学。液态金属增强的表面流动性使生长界面更平滑，并有利于形成高质量的二维材料层。
本综述全面涵盖了通过液态金属在原子尺度上合成各种二维材料，为从制备策略、催化剂选择、所得二维材料和原子工程的角度深入了解该领域提供了宝贵的资源。本综述的主要内容如图1所示。此外，还重点介绍了该领域的障碍和前景。希望它能启发研究人员探索液态金属在二维材料原子工程中的巨大潜力，为即将到来的电子和光电子学的繁荣铺平道路。
图 1 本综述的图文摘要。液态金属的独特特性使得制造二维原子单晶和进行原子工程成为可能。
图 2 （a）通过液态金属 制备二维原子晶体的 CVD 方案示意图。首先将固态金属熔合到液态金属中，然后成核并进一步生长。（b）和（c）液态/固态金属催化 CVD 过程中发生的整体反应比较，包括扩散、吸收、表面吸收、表面反应、副产物的产生和副产物的去除。（d）制备二维原子晶体的典型表面氧化方法涉及形成氧化皮和转移过程。
图 3 单液态金属催化 CVD 制备二维原子晶体。(a)–(d) 使用 d 区金属（如 Cu）制备石墨烯。石墨烯畴倾向于在空间上自对齐。
图 4 液态二元合金催化 CVD 制备二维原子晶体。（a）石墨烯畴通过 Cu-Ag 合金催化的 CVD 工艺从六边形演变为圆形。比例尺为 5 μm。（b）和（c）在 CVD 工艺中使用 Cu-Zn 合金可以通过降低成核密度来制备大面积石墨烯。（d）–（g）通过液态 Ga-Cu 合金催化剂制备大面积石墨烯的 CVD 工艺示意图。（h）碳原子和石墨烯薄片的结合能。
图 5 通过液态三元合金制备二维原子晶体。（a）通过表面氧化 制备多层 GaInSnO的示意图。（b）基于制备的 GaInSnO 多层膜的 FET 器件配置。（c）通过液态 Ni-Ga-Mo 合金 CVD 制备 MoS2 /hBN 异质结构的示意图。（d）制备的 MoS2 /hBN 异质结构的 SEM 图像。（e）CVD 制备垂直堆叠 ReS2 /WS2异质结构的生长机理。（f）制备的 ReS2 /WS2异质结构的 SEM 图像。比例尺为 40 μm。（g）异质结构的微观图像。（h）和（i）ReS2和WS2特征峰的拉曼映射结果，显示 100% 重叠。（g）-（i）中的比例尺为5 μm。
图 6 基于液态金属的石墨烯制备。（a）液态 Cu 球上石墨烯域的生成。（b–d）石墨烯生长的现场观察设备。（e）石墨烯生长和自组装过程示意图。（f）–（i）石墨烯域自组装的实时捕获。
图 7 基于液态金属的六方氮化硼制备。(a) 在液态 Cu 上制备分级六方氮化硼超有序结构的示意图。(b) 和 (c) 分级六方氮化硼超有序结构的 SEM 图像。(d) B 1s 和 N 1s 的结合能。(e) 和 (f) 分级六方氮化硼超有序结构的显微图像。(g) 六方氮化硼的 AFM 图像。（h）制备自对准 hBN 阵列和大规模 hBN 薄膜的 CVD 工艺示意图。（i）转移到 Si/SiO2
表面上的大规模 hBN 薄膜图像。
图 8 基于液态金属的 Mo2C 制备。(a) 和 (b) 制备的 α-Mo2C 晶体的显微图像。(c) 制备的 α-Mo2C 晶体的垂直磁场强度相关超导电阻转变曲线。(d) 制备的 α-Mo2C 晶体的磁场相关超导电阻转变曲线。（e）通过扩散介导策略生产类似“婚礼蛋糕”的 Mo2C的生长过程示意图。（f）AC-STEM 表征所生产的双层 Mo2 C 的结果，表明各种同质异形体共存。比例尺为 1 纳米。
图 9 基于液态金属的金属氧化物制备。（a）六方 α-Ga2O3晶体的液态 Ga 催化 CVD 工艺示意图。（b）α-Ga2O3晶体的原子结构。（c）制备好的 α-Ga2O3晶体的 SEM 图像。（d）–（e）制备 2D In2O3晶体的表面氧化法示意图。（f）制备的大面积 2D In2O3晶体的显微图像。
图 10 基于液态金属的异质结构制备。（a）通过液态 Cu 催化 CVD 策略 形成石墨烯/hBN异质结构的过程。(b) 石墨烯/hBN 异质结构的 SEM 图像。 (c) 石墨烯/hBN 异质结构的拉曼映射结果。比例尺为 10 μm。（d）制备 Mo2C/石墨烯异质结构的 CVD 工艺示意图。（e）–（g）CVD 过程中 Mo2C 薄膜随时间的尺寸变化。比例尺为 100 μm。
图 11 基于液态金属的 WC-石墨烯异质结构的制备。（a）通过液态 Ga 制备 WC-石墨烯异质结构的 CVD 工艺示意图。（b）异质结构的极化曲线。（c）取决于 WC-石墨烯异质结构内 WC 晶体覆盖率的 Tafel 图。(d) 用于选择性制备 WC 或 WC-石墨烯异质结构的基底工程示意图。(e) 随着 Zn 浓度的增加，石墨烯的生长受到抑制，WC 的成核密度增加。(f) 随着 Zn 浓度的增加，WC-石墨烯异质结构和单个 WC 晶体的相应显微图像。比例尺为 100 μm。(g) 依赖于不同波长激发的 SHG 强度。(h) 基于生产的 WC 晶体的电子设备的显微图像。(i) 使用不同电极对进行电子测试获得的I - V曲线。
图 12 基于液态金属的异质结构制备。（a）Ga2O3/WS2异质结构形成过程示意图。（b）基于 Ga2O3 /WS2的 FET 的器件配置。（c）p-SnO/n-In2O3异质结构通过表面氧化和转移的形成过程。（d）p-SnO/n-In2O3异质结构的显微图像。
图 13 石墨烯的形状控制。（a）十二尖形石墨烯晶粒的大规模 SEM 图像视图。（b）单个十二尖形石墨烯晶粒的 SEM 图像。（c）具有不同凸顶点的石墨烯多晶。（d）具有 8、10、11 和 12 个凸顶点的石墨烯多晶的放大图片。（e）–（p）石墨烯的自组织多样化模式。
图 14 石墨烯的自对准发生在液态金属/合金的表面。（a）石墨烯畴自对准的 CVD 工艺示意图。（b）低规则性石墨烯畴的 SEM 图像。（c）高规则性自对准石墨烯阵列的 SEM 图像。（d）生产出的石墨烯的拉曼光谱，显示出高质量。（e）W 箔表面使用的液态 Cu 的照片。（f）(e) 中选定区域之一的 SEM 图像，石墨烯域是自对准的。（g）制备 GNR 的 CVD 工艺示意图。（h）和（i）大面积和自对准 GNR 阵列的 SEM 图像。
图 15
