二維材料是伴隨著石墨烯的誕生而提出的。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，使得這種材料展現出不同的特性和應用。比如，它的帶隙可調特性在場效應管、光電器件、熱電器件等領域被廣泛應用；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域引起深入研究。
科學家們通過研究，發現了一個十分有趣的現象，即，不同的二維材料由於晶體結構的特殊性質呈現出不同的電學特性或光學特性的各向異性，包括拉曼光譜、光吸收譜、熱導率、電導率等性質的各向異性，這些發現，令其在偏振光電器件、熱電器件、仿生器件等領域均具有極大的發展潛力。
湖南大學化學化工學院段曦東教授
神秘的二維材料世界，吸引了全球各國的科學家紛紛投身其中，他們希望通過挖掘二維材料的潛質，拓展其應用領域。湖南大學化學化工學院段曦東教授就是他們中的一員，他帶領團隊，在二維材料的世界裡，披荊斬棘，開拓進取，功夫不負有心人，他們在該領域取得了一系列科研成果。
躬身探索 二維橫向異質結的研究獲突破
具有原子級厚度的二維材料是科學界關注的焦點。它們是一類新穎的超薄材料，在科學領域，可以藉助它們觀察到新的物理現象，發現新的物理規律。為了充分實現二維材料在科學技術上的應用，需要發展更可控的方法來製備二維材料及其異質結和超晶格。由於受到製備技術的限制，製備橫向二維多異質結及其超晶格結構仍然是科學界的難題。
段曦東教授帶領團隊，攻克重重技術難關，通過改進傳統的熱化學氣相沉積方法，創造性地在生長條件穩定化的過程中引入冷的逆向氣流，成功解決了多步生長過程中二維超薄材料的熱穩定和可控成核問題。由於每一步的生長都具有高度的可控性，所以這種方法可以製備多種多樣的單原子層異質結、多異質結和超晶格。該成果是二維材料領域重要研究進展，為未來研製超薄電子、光電子器件，推進二凝聚態物理邁出了重要的一步。
創新研究 打破2D新材料的研究限制
一項科研成果的問世，將意味著打破研究的壁壘，對該領域的發展將起到積極的推動作用。段曦東教授對此深有感觸。正因如此，一項科研工作完成後，他便積極進入下一項科研成果的研究，這一次，他將目光放到了二維（2D）金屬過渡金屬二硫化物研究領域。
實驗室是他的科研戰場，通過反覆研究探索，他和團隊最終選擇了無懸空健的2D WSe2或WS2作為金屬過渡金屬二硫化物的生長基底。與在相同條件下傳統有懸空健的SiO2/Si襯底上生長的對比表明，使用無懸空鍵的WSe2或WS2作為範德華外延襯底對於成功實現原子級薄金屬過渡金屬二硫化物，如MTe2（M = V，Nb,Ta）納米片是至關重要的。實驗與分析表明生長前驅體原子、分子與基底的範德華作用力促使材料橫向生長而不是垂直方向生長，最終更有利於形成超薄的二維材料。科研團隊最終實現了原子級薄的2D金屬MTe2（M = V，Nb，Ta）單晶的合成，其厚度低至單層，並且形成原子級薄的MTe2/WSe2（WS2）垂直異質結生長。
實驗進一步研究表明，外延生長的2D金屬可以用作2D半導體器件的範德華接觸電極，這種電極幾乎沒有傳統工藝的界面損壞等問題，改善了半導體的電子學性能。此研究為超薄2D-MTMD定義了一種穩健的範德華外延路徑，這對於2D限制下這類新材料的基礎研究和潛在技術的研究具有至關重要的意義。
勇於挑戰 合成高質量的CoTe2單晶納米片
科研永無止境，段曦東教授帶領團隊再次出發，這一次他們投入到了CoTe2單晶納米片研究領域。在科研領域，電學測試表明CoTe2單晶納米片具有超高電導率和擊穿電流密度。最近層狀金屬過渡金屬硫化物CoTe2被報導可以作為高效的電催化劑，並且具有低的過電位和Tafel斜率。另外，CoTe2被報導在90K以上具有順磁性。然而，目前對超薄CoTe2單晶的合成和厚度可調的電學性質方面的研究卻非常稀少。
段曦東教授帶領團隊向這一課題發起挑戰，在研究工程中，首次使用化學氣相沉積合成了高質量的CoTe2單晶納米片，通過該團隊實驗結果表明通過降低生長溫度和增大載氣的流量得到的CoTe2納米片的厚度和形貌會發生系統地變化，由多數為厚的六邊形區域變為薄的三角形區域。X射線衍射及高分辨透射電鏡結果證明了合成得到的CoTe2納米片為高質量的單晶納米片。此外，通過電學測試表明CoTe2單晶納米片是具有超高電導率和擊穿電流密度。CVD生長的二維超薄碲化鈷單晶納米片不僅豐富了二維家族，也可能為金屬過渡金屬硫化物在原子規模上應用研究提供了平臺。
段曦東教授帶領團隊在二維材料領域取得了豐碩的科研成果，比如， 在國際上率先合成了二維WS2xSe2-2x半導體合金納米片，系統性地控制了合金的成分，精確控制了二維半導體的帶隙和電子性質；在國際上首次用氣相轉移與沉積法合成了二維碘化鉍納米片，納米片厚度在10 nm～120 nm之間，檢測到了特徵的拉曼峰和螢光現象，TEM顯示納米片為單晶，用二維碘化鉍納米片製備的場效應管顯示了碘化鉍的n-型半導體特性和光響應；通過CVD法實現了第二類狄拉克半金屬PtTe2超薄納米片的可控制備；首次通過常壓化學氣相沉積法（APCVD）實現了二維材料NiTe2層數的可控制備。他們發現，隨著生長溫度以及NiCl2源的溫度的升高，二維材料NiTe2也實現了形狀從三角形到六邊形，尺寸不斷增大，成核率不斷減小的轉變。另外，通過改變Te源的溫度以及體系中氣流的大小也能實現二維材料NiTe2厚度可控。
在科研領域，段曦東教授從未忘記自己的初心，一直以來，他都用科研成果和實際行動履行著作為一名科研工作者的科研使命，現在的他，仍在書寫他與二維材料的故事，作為師者的他，將帶領更多的人，進入二維材料的世界，他和他們將繼續為中國二維材料的發展添磚加瓦……
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