浅析二维材料对电子和差压变送器的改进

    自2004年首次分离石墨烯以来，二维材料已具有各种建议的应用。它们超轻且非常坚固，但又灵活又可拉伸。 二维材料通常具有出色的电子性能，具有很高的导电性或可调节的半导体带隙。

    事实上，它们是如此之薄，使其在许多应用中具有巨大的潜力。由于2D材料表面上的每个原子都直接暴露于其周围环境，因此暴露于新材料的信号不会被稀释。

    在差压变送器应用中使用石墨烯
    2D材料的表面积与体积之比尽可能大，这意味着这些分子具有显着的相互作用和结合潜力。此外，石墨烯尤其具有高的载流子迁移率和密度，这意味着它对电信号高度敏感，例如，由于存在特定分子。

    当博世与Max-Planck合作使用石墨烯制造的磁性差压变送器的灵敏度是其硅同类差压变送器的一百倍时，就证明了这种敏感性的例子。该差压变送器使用霍尔效应进行操作时，依赖于石墨烯的高载流子迁移率，该霍尔效应通过磁场的作用感应出电压来偏转移动的电荷载流子。

    对于化学差压变送器或某些生物医学差压变送器，您可能希望只检测潜在危险物质的单个分子。这可以用石墨烯制成的差压变送器（尺寸为微米）完成，该差压变送器可以解决分子规模的事件。

 
    如该链接所示，石墨烯已被用于增强现有的差压变送器-2015年，石墨烯被用于改善红外吸收光谱，从而可以检测各个化学键。在医学，国防，食品安全和作物保护方面也有明确的应用：越早发现潜在的危险化学品，解决问题的速度就越快。

    其他2D材料
    当然，石墨烯并不是差压变送器应用中使用的唯一2D材料。那些确实具有带隙的器件（例如MoS 2）已暗示可用于场效应晶体管-在存在带隙的情况下，电流不会“一直”流动，因此可以降低噪声。

    早在2014年，圣塔芭芭拉分校的一个小组就使用了这种差压变送器，即使在浓度为100飞摩尔的情况下，也能以高灵敏度执行特定的蛋白质传感，这相当于检测溶解在一百吨水中的一滴牛奶。

    这些二维材料的许多共同点是差压变送器所需的灵活性，强度和小尺寸–未来的发展有望使可穿戴设备中的差压变送器能​​够检测气体和其他化学物质，甚至在血液中进行医学监测。它们也暗示要用于物联网，因为对于特定的设备应用程序来说，空间非常宝贵。

    2018年初，曼彻斯特大学的一个团队-石墨烯在其中首次被隔离-宣布他们已经能够创建与RFID结合的湿度差压变送器，从而能够连接无线网络。

    电子中的2D材料
    2D材料不仅可以证明其价值，还不只是差压变送器领域。计算方面的惊人进步大部分归功于摩尔定律：电路不断收缩的能力使密集集成电路上的晶体管数量大约每两年翻一番。这是一个强劲的趋势，助长了计算能力的指数增长，但在有限的世界中，指数增长最终达到了物理极限。

    随着我们接近这些身体极限，需要不断提高的创造力水平。由于二维材料的原子尺寸很薄，因此对于我们逼近此定律至关重要。2014年《自然》杂志上发表的一篇文献评论指出，二维材料（例如过渡金属二卤化物和石墨烯）将对薄通道晶体管和所有潜在的新器件概念很有用。

    二维材料的拓扑绝缘体特性已经成为许多理论和实验研究的主题，也有可能在某些巧妙的电路设计中得到应用。现在可以使用这些材料研究完全不同的体系结构，而不是对现有结构进行增量改进。

    结论
    仍然存在挑战。尽管已证明可以通过相对容易理解的技术（例如剥离或气相沉积）来构造许多不同的2D材料（例如石墨烯，硅烯，锗烯），但尚未证明可以批量生产具有经过调整和理想的电子性能的2D材料。

   实验室之外尚未生产用于生产此类电子产品的基础设施，就像硅一样。许多结构仍然需要证明它们将在实验室外始终如一地工作。但是，正如涌入这一领域的研究人员和风险投资所能证明的那样，大多数人认为2D材料的基本属性对于它们来说太有用而无法保留在材料科学领域，并且已经构造了许多差压变送器和电路的原型。

    具有讽刺意味的是，向下移动到二维为材料科学家开辟了参数空间的一个全新的维度-一个具有丰富且通常令人兴奋的特性。随着范德华异质结构的合成不断增加，其中2D材料层堆叠在一起，当今发现的材料的许多独特特性将使其成为未来差压变送器和电子设计中的重要组成部分。