二维量子材料研究是凝聚态物理的一个前沿热点，对此类材料研究的投入将有可能使我国在下一轮的新材料研发中占领先机。本报告对二维量子材料领域国内外研究进展与趋势进行了梳理分析，对我国进一步研究重点进行了展望。

一、关于二维量子材料

1. 定义与特点

二维量子材料是指电子仅可在两个维度上运动，而另一个维度被限制在原子尺度的具有新奇量子特性的材料。

对于新型半导体材料的探索，二维量子材料的出现有着举足轻重的意义。原子厚度的二维材料处于材料厚度的极限，将可能成为未来5纳米以下节点集成电路的材料基础。这类以石墨烯、黑磷、过渡金属硫族化合物等为代表的低维材料，涵盖了绝缘体、半导体和金属特性，展现出包括谷自旋物理、拓扑绝缘体、整数和分数量子霍尔效应、高温超导在内的一系列量子现象。

2. 作用与意义

这些低维下的奇妙量子特性催生了一批全新的物理观念与理论，极大地推动凝聚态物理的变革，使得二维量子材料的研究成为凝聚态物理的前沿热点。

二维量子材料的特殊物性正在被积极开发利用，在消费类电子产品、能源、光电器件等领域掀起了一股世界范围内的创新热潮。

二、世界发展现状与趋势

2004年被首次成功分离至今，石墨烯经历了飞速的发展，一系列优异的电学、光学、力学、热学特性得以发掘，其基础物性研究进入成熟发展期，研究热点逐渐转向以应用为主，各种概念和产品层出不穷。

过去数年，陆续发现包括二维硫族化合物（例如MoS2）和黑磷在内的新型二维材料。这些半导体二维材料克服了石墨烯零能隙的局限，在电子器件和光电器件的应用领域展现出更大的潜力。最近，国际上（含我国）的一些研究人员把视野拓展到了金属和强关联二维量子材料。这类材料更加复杂，但物性更加丰富，涵盖了拓扑绝缘体（例如ZrTe5）、拓扑半金属（例如MoTe2）、高温超导（例如FeSe）等凝聚态物理前沿最引人瞩目的课题。

以石墨烯研究为参照，这些二维材料遵循着基础物性探索—大面积大规模生长制备—应用型研究—产品研发这一发展路线。每种二维材料由于其本身特性与研究历史的不同，分别处于这一发展路线的不同阶段。研发历史最久最成熟的石墨烯的研究重点已经到达应用型研究和产品研发阶段。黑磷和二维硫族化合物尚处于基础物性探索阶段，许多材料特性有待发掘。二维硫族化合物已经有方法实现大面积生长，但样品的质量有待提高。单层黑磷的生长还没有成功的先例，金属和强关联二维量子材料更是处于探索性研究的早期。

综上所述，二维量子材料研究尚处于蓬勃发展的早期阶段，已发现的二维材料只是所有二维量子材料中的冰山一角，该领域蕴含着产生更多重大发现的机遇。

1. 石墨烯材料基础物性研究进展

石墨烯基础物性研究的高峰期是2005年至2010年。在此期间，大量的实验和理论研究提供了石墨烯二维量子特性的精细图像。2005年，Geim实验室和美国哥伦比亚大学Philip Kim实验室在单层石墨烯中发现了“半整数”量子霍尔效应，揭示了石墨烯中的载流子没有静止质量，是狄拉克费米子。他们的实验表明石墨烯具有非常高的迁移率，引起人们对这个材料极大的兴趣，随后发现石墨烯的一系列特殊物性：美国哥伦比亚大学Hone等人发现石墨烯的杨氏模量达到1TPa，本征强度达到130GPa；美国加州大学的Balandin等人发现石墨烯具有非常高的室温热导率；西班牙Bachtold等人发现石墨烯具有很好的导电性，可以承受比铜高一百万倍的电流强度。美国康奈尔大学MeEuen等人发现石墨烯非常致密，任何气体都无法渗透；而Geim等人发现，氢离子能够穿透石墨烯，为石墨烯燃料电池提供了可能。

石墨烯材料中具有高迁移率二维电子气的量子输运，一直是凝聚态物理领域的一个研究热点。继发现石墨烯中“半整数”量子霍尔效应后，先后观测到石墨烯在室温下的量子霍尔效应以及高场下的朗道能级劈裂。2010年，美国哥伦比亚大学Dean等人发展了石墨烯转移技术，成功把石墨烯转移到六角氮化硼衬底上，实现高质量石墨烯制备的一大突破。氮化硼衬底上的石墨烯迁移率可以高于1,000,000cm2/Vs（室温下140,000cm2/Vs，接近理论极限），如此高的迁移率使得对石墨烯中一些精细量子现象的观测成为可能。

美国研究者在高迁移率样品中观测到分数量子霍尔效应、狄拉克费米子负折射等量子现象。Geim等人在氮化硼衬底上的单层石墨烯中，复旦大学张远波等人和日本东京大学Tarucha等人独立在双层石墨烯中发现了谷自旋霍尔效应。张远波和Tarucha两个实验室的工作表明，双层石墨烯中的谷自旋霍尔效应可以被门电极调控，为可能的谷自旋电子学打下基础。氮化硼衬底上的石墨烯由于晶格失配的原因会形成莫瑞超晶格，哥伦比亚大学的Kim等人和Geim实验室在样品中观测到了Hofstadter's buttery，验证了1976年理论物理学家Douglas Hofstadter的预言。