成果介紹

二維材料因其范德華組裝技術的突破，正在重塑材料科學領域。該技術能夠將具有迥異電子結構的超薄材料層進行堆疊，從而構建出具有可調控特性的人工異質結構與器件，突破了傳統方法在晶體結構匹配、晶格常數契合以及構成材料與支撐基底幾何形狀限制等方面的局限。

二維材料展現出非凡的機械柔韌性、由激子響應驅動的強光物相互作用、原子色心的單光子發射、亞納米薄膜中的穩定鐵磁性、高質量器件中的分數量子霍爾效應，以及超高比表面積下的化學選擇性。因此，具有原子級平整界面的范德華異質結構呈現出前所未有的力學、化學、光電與磁學特性交織現象。這為基于復雜材料內外相互作用的多屬性傳感技術奠定了基礎，并能對環境中的外部刺激產生穩健響應。

鑒于此，新加坡國立大學Maciej Koperski團隊以“Two-Dimensional Materials as a Multiproperty Sensing Platform”為題在期刊《Advanced Functional Materials》發表綜述。本綜述總結了二維材料在傳感應用領域的最新進展，重點探討了范德華異質結構如何憑借其原子級厚度與獨特材料組合，在實現超高靈敏度、同步響應多重外部刺激方面展現優勢，并介紹了具有概念創新性的傳感方法論。

圖文導讀

圖1. 二維材料的多屬性傳感。本示意圖展示了二維材料具有獨特優勢的多種傳感模式，包括：1）光電與磁學特性的交織效應；2）原子尺度缺陷中心的量子特性，可實現環境傳感的終極微型化；3）二維材料與掃描探針的集成，用于定制化的針尖-表面相互作用；4）耦合多種量子自由度的二維納米鼓納米機械運動；5）超大比表面積下的生物與化學傳感。

圖2. 基于二維材料光電效應的傳感。

圖3. 基于量子缺陷的傳感。

圖4. 用于掃描探針顯微鏡的二維材料。

圖5. 利用納米機械膜諧振器傳感磁性。

圖6. 基于二維材料的生物與化學傳感。

結論與展望

二維材料憑借其原子級厚度、優異的機械柔性和獨特的量子特性，正成為構建下一代高靈敏度、多屬性傳感器的理想基石。通過范德華異質結構，研究者能夠將光、電、磁等多種功能前所未有地融合在一起，開辟了全新的傳感范式。目前，該領域已在光電子學、量子缺陷、掃描探針、納米機械和生化傳感等多個方向展現出巨大潛力，例如利用光學手段探測量子相、用單原子缺陷進行高精度傳感、以及開發功能化的掃描探針等。然而，該技術走向成熟仍面臨關鍵挑戰，包括材料合成的可重復性、器件制造的大規模化和底層物理機制的深入理解。未來的發展將聚焦于建立標準化的材料組裝法則、克服制造瓶頸，并最終推動二維傳感器從實驗室的孤立演示走向實際應用，實現對物理、化學和生物環境的實時、精準監測。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202516728