新加坡国立大学:研究基于二维材料的多属性传感平台

成果介绍

二维材料因其范德华组装技术的突破，正在重塑材料科学领域。该技术能够将具有迥异电子结构的超薄材料层进行堆叠，从而构建出具有可调控特性的人工异质结构与器件，突破了传统方法在晶体结构匹配、晶格常数契合以及构成材料与支撑基底几何形状限制等方面的局限。

二维材料展现出非凡的机械柔韧性、由激子响应驱动的强光物相互作用、原子色心的单光子发射、亚纳米薄膜中的稳定铁磁性、高质量器件中的分数量子霍尔效应，以及超高比表面积下的化学选择性。因此，具有原子级平整界面的范德华异质结构呈现出前所未有的力学、化学、光电与磁学特性交织现象。这为基于复杂材料内外相互作用的多属性传感技术奠定了基础，并能对环境中的外部刺激产生稳健响应。

鉴于此，新加坡国立大学Maciej Koperski团队以“Two-Dimensional Materials as a Multiproperty Sensing Platform”为题在期刊《Advanced Functional Materials》发表综述。本综述总结了二维材料在传感应用领域的最新进展，重点探讨了范德华异质结构如何凭借其原子级厚度与独特材料组合，在实现超高灵敏度、同步响应多重外部刺激方面展现优势，并介绍了具有概念创新性的传感方法论。

图文导读

图1. 二维材料的多属性传感。本示意图展示了二维材料具有独特优势的多种传感模式，包括：1）光电与磁学特性的交织效应；2）原子尺度缺陷中心的量子特性，可实现环境传感的终极微型化；3）二维材料与扫描探针的集成，用于定制化的针尖-表面相互作用；4）耦合多种量子自由度的二维纳米鼓纳米机械运动；5）超大比表面积下的生物与化学传感。

图2. 基于二维材料光电效应的传感。

图3. 基于量子缺陷的传感。

图4. 用于扫描探针显微镜的二维材料。

图5. 利用纳米机械膜谐振器传感磁性。

图6. 基于二维材料的生物与化学传感。

结论与展望

二维材料凭借其原子级厚度、优异的机械柔性和独特的量子特性，正成为构建下一代高灵敏度、多属性传感器的理想基石。通过范德华异质结构，研究者能够将光、电、磁等多种功能前所未有地融合在一起，开辟了全新的传感范式。目前，该领域已在光电子学、量子缺陷、扫描探针、纳米机械和生化传感等多个方向展现出巨大潜力，例如利用光学手段探测量子相、用单原子缺陷进行高精度传感、以及开发功能化的扫描探针等。然而，该技术走向成熟仍面临关键挑战，包括材料合成的可重复性、器件制造的大规模化和底层物理机制的深入理解。未来的发展将聚焦于建立标准化的材料组装法则、克服制造瓶颈，并最终推动二维传感器从实验室的孤立演示走向实际应用，实现对物理、化学和生物环境的实时、精准监测。

文献链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202516728