轻元素二维层状材料制备科学

本书以材料决定未来为核心理念，系统探讨了由碳、硼、氮等轻元素构成的层状材料，聚焦其制备、性能调控及前沿应用。重点解析石墨烯、磷烯等轻元素二维层状材料的突破性进展及其在能源、信息等领域的变革潜力。本书主要分为三部分：第一部分(第1～2章)奠定轻元素层状材料基础理论，包括原子结构、量子效应等核心特性；第二部分（第3～8章）详解石墨烯、磷烯、硼烯等典型轻元素层状材料的制备技术，涵盖机械剥离、化学气相沉积等前沿方法；第三部分（第9章）总结规模化制备等关键挑战，展望多学科融合的未来方向。
本书可供从事低维材料、轻元素层状材料研究的院校师生及企业研发人员学习参考。

刘开辉  北京大学博雅特聘教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所所长，担任国家计划重点项目首席科学家、国家重点研发计划项目首席科学家、国家重大科研仪器研制项目负责人。主要从事二维晶体制备和光学器件研究。曾获教育部自然科学特等奖、腾讯科学探索奖、中国物理学会胡刚复奖。相关成果入选2020年度中国重大技术进展，2020年、2024年中国半导体十大研究进展，2024年、2025年、2026年中关村论坛重大成果。

谢雅典  教授，博士生导师。贵州省低维材料与应用工程研究中心主任，首批贵州省高层次青年拔尖人才，贵州省黑磷批量化制备与规模化应用创新人才团队领衔人，主要从事黑磷等轻元素二维层状材料制备与应用研究。主持完成多项国家级和省部级项目，领衔团队获得贵州省高等教育教学成果一等奖，贵州省科技进步三等奖，荣获贵州省最美科技工作者称号。

纵观人类社会发展史可以发现，材料的发展往往决定着一个时代社会的整体发展水平。中国科学院王恩哥院士曾说：“谁掌握了材料，谁就掌握了未来。”轻元素层状材料因其独特的二维结构、优异的物理化学性质以及广阔的应用前景，成为21世纪材料科学研究的前沿热点之一。这类材料主要由碳、硼、氮、氧等轻元素通过层间范德瓦耳斯力或共价键堆叠形成。
回顾发展历程，轻元素层状材料的研究热潮始于2004年石墨烯的成功制备。这一里程碑式的突破不仅为研究者打开了二维材料世界的大门，更开创了一个全新的研究领域。随后的十几年间，材料科学家们相继开发出包括石墨炔、硼烯、氮化碳等一系列新型轻元素低维材料，极大地丰富了材料家族的多样性。这些材料的出现，不仅为基础研究提供了理想的模型体系，更为解决能源危机、信息存储、量子通信等重大社会需求带来了新的希望。
然而，要将这些材料的优异性能转化为实际应用，制备是关键所在。北京大学刘忠范院士就强调“制备决定未来，没有材料上真正的突破，其很难说变成产业”。轻元素层状材料同样面临这个问题，由于轻元素材料的特殊性，其材料制备需要精确的维度控制、优异的结晶质量、可调控的缺陷密度、可扩展的制备规模以及合理的成本效益。这些要求使得轻元素低维材料的制备面临着诸多挑战，也催生了一系列创新性的解决方案。
本书共分为三大部分，系统性地介绍轻元素层状材料的制备科学。第一部分（第1～2章）阐述基础理论，介绍了轻元素层状材料的定义、性质及应用。第二部分（第3～8章）以石墨烯、磷烯、硅烯等材料为例，详细介绍了典型的轻元素层状材料及相关制备方法。第三部分（第9章）宏观总结了当前轻元素层状材料的关键科学问题与未来研究方向及挑战。
在本书的编写过程中，我们得到了众多同行专家的宝贵建议和支持，在此表示衷心感谢。特别要感谢那些在轻元素层状材料制备领域做出开创性工作的研究团队，正是他们的杰出贡献奠定了本书的科学基础。同时，也要感谢出版社编辑团队的专业指导和辛勤工作。另外，受限于编者知识的广度和深度以及轻元素层状材料制备领域的快速发展，本书未能涵盖所有研究进展。如果有不妥之处，也欢迎读者帮忙斧正！
本书的完成，凝聚了编写团队的集体智慧与辛勤耕耘。各章执笔分工如下：第1、2、9章由吴慕鸿负责，第3章由徐小志负责，第4章由谢雅典负责，第5章由张志斌负责，第6章由刘灿负责，第7章由王理负责，第8章由戚嘉杰负责；全书校稿工作由高聪、陈威、胡佐新完成。
从选题立意、框架搭建到逐章打磨、审定定稿，主编刘开辉教授始终统筹全局、倾注心力，以其深厚的学术造诣与严谨的治学态度，确保了本书的科学性、系统性与权威性。副主编谢雅典教授全程协助主编开展组织编写工作，在各章内容的协调推进、学术观点的切磋研讨、书稿的反复修改与润色等方面付出了大量心血，为本书的顺利成书提供了有力支撑。
值此成书之际，谨向刘开辉教授、谢雅典教授及全体参与人员表示衷心感谢!

编者
2025年10月

第1章 绪论 001
1.1 轻元素材料的定义与范畴 001
1.2 层状结构的独特优势与科学意义 003
1.3 轻元素层状材料的研究现状与发展趋势 005
参考文献 006

第2章 轻元素材料的结构基础与性能优势 007
2.1 轻元素材料的物理化学特性 007
2.1.1 原子结构与电子特性 007
2.1.2 低维材料的量子限域效应 009
2.2 轻元素层状材料的形成机制 010
2.2.1 范德瓦耳斯力与层间相互作用 010
2.2.2 层状结构的稳定性 012
2.3 轻元素层状材料的应用潜力 013
2.3.1 电子器件中的性能优势 013
2.3.2 能源存储与催化领域的适配性 014
参考文献 015

第3章 石墨烯与石墨材料 019
3.1 石墨烯的基本性质 019
3.1.1 石墨烯的晶体结构 019
3.1.2 石墨烯的物理性质 020
3.1.3 石墨烯的应用领域 022
3.2 单层石墨烯的制备 023
3.2.1 机械剥离法 024
3.2.2 液相剥离法 025
3.2.3 碳化硅外延法 026
3.2.4 化学气相沉积法 027
3.2.5 单晶制备 028
3.3 少层石墨烯的制备 030
3.3.1 铜基制备法 030
3.3.2 镍基制备法 032
3.3.3 合金制备法 033
3.3.4 单晶制备 034
3.4 厚层石墨的特性与制备 035
3.4.1 高温石墨化法 039
3.4.2 晶格传质法 042
参考文献 045

第4章 磷烯与磷基层状材料 048
4.1 磷烯的基本结构与性质 048
4.1.1 磷烯的基本结构 048
4.1.2 磷烯的物理性质 050
4.1.3 磷烯的化学性质 052
4.2 磷烯的制备 054
4.2.1 机械剥离法 054
4.2.2 液相剥离法 059
4.2.3 化学气相传输法 062
4.3 磷基层状材料的性能调控 066
4.3.1 层数依赖的材料特性 066
4.3.2 磷烯材料层数调控技术 067
4.3.3 缺陷工程与掺杂策略改性磷烯材料 068
4.3.4 表界面工程与性能优化 073
4.4 磷烯与磷基层状材料的应用 077
4.4.1 电子和光电子传感 077
4.4.2 能源和催化应用 082
4.4.3 生物医药应用 088
4.4.4 阻燃应用 093
4.4.5 柔性可穿戴应用 098
参考文献 102

第5章 硼烯和硅烯材料 112
5.1 硼烯 112
5.1.1 硼烯结构的多型性与理化性质 112
5.1.2 硼烯的制备 117
5.1.3 硼烯的应用前景与展望 121
5.2 硅烯 123
5.2.1 硅烯的结构特点与理化性质 123
5.2.2 硅烯的制备 128
5.2.3 硅烯的应用现状与面临挑战 130
5.3 总结与展望 131
参考文献 132

第6章 层状过渡金属硫族化合物 135
6.1 层状过渡金属硫族化合物的制备 135
6.1.1 液相剥离法 135
6.1.2 化学气相沉积法 144
6.2 层状过渡金属硫族化合物的性能调控 150
6.2.1 垂直/水平异质结构筑 150
6.2.2 可控掺杂与层数调控 157
6.3 层状过渡金属硫族化合物的应用 164
6.3.1 电子学器件 164
6.3.2 光学/光电子学器件 169
参考文献 174

第7章 氮化硼与硼碳氮 180
7.1 层状氮化硼材料 180
7.1.1 氮化硼的基本结构与性质 180
7.1.2 单层氮化硼的制备 184
7.1.3 多层氮化硼薄膜及晶体制备 187
7.1.4 层状氮化硼的应用研究 191
7.2 硼碳氮合金材料 193
7.2.1 硼碳氮合金的理化性质 193
7.2.2 硼碳氮合金的制备 198
7.2.3 硼碳氮合金的应用前景与展望 207
7.3 总结与展望 212
参考文献 213

第8章 其他层状材料及化合物 224
8.1 硼碳化物（BxCy）与碳氮化物（CxNy） 224
8.1.1 硼碳化物（BxCy）的结构与制备 224
8.1.2 碳氮化物（CxNy）的结构与制备 227
8.2 铋氧硒（BiOSe） 229
8.2.1 晶体结构与基本性质 229
8.2.2 化学气相沉积与分子束外延生长方法 231
8.2.3 Janus结构与掺杂调控 231
8.3 硅钼氮（SiMoN） 232
8.3.1 MoSi2N4的结构与相变 232
8.3.2 制备挑战与工艺 233
8.3.3 电子态密度与物性应用 235
8.4 MXene材料 236
8.4.1 MXene概述与结构 236
8.4.2 刻蚀制备 236
8.4.3 结构控制与表面官能团 238
8.4.4 功能化方向与应用数据 239
8.4.5 二维金属材料的制备探索 240
8.5 总结与展望 242
参考文献 243

第9章 轻元素层状材料的发展趋势 249
9.1 轻元素层状材料的关键科学问题 249
9.1.1 层状结构的稳定性与性能调控 249
9.1.2 量子限域效应与电子结构调控 250
9.1.3 多功能集成与器件性能优化 251
9.2 制备技术的工业化挑战 251
9.2.1 制备方法的规模化与成本控制 251
9.2.2 制备过程的质量控制与产品一致性 252
9.2.3 环境友好性与资源可持续性 252
9.3 未来研究方向 253
9.3.1 多学科交叉研究 253
9.3.2 智能化合成 254
9.3.3 新兴应用领域的探索 255
参考文献 255