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同时,二维材料的研究还面临着诸多的挑战。首先,材料的制备水平远未达到光电子器件应用的标准。虽然通过机械剥离的方法可以得到大部分的二维层状材料,但是这种方法效率较低,样品横向尺寸较小,厚度不容易控制。通过其他的方法例如液相剥离或者化学气相沉积可以制备石墨烯和部分过渡金属硫族化合物,但样品的层数、边缘形貌、缺陷密度、相、参杂浓度等参数都较难以控制,且这些方法在新的二维材料制备方面有待进一步优化。因此,要实现二维材料的广泛应用,可控制备是前提,这涉及二维材料制备的专业装备和在专业装备基础上发展的制备工艺技术;装备是关键,没有一流的装备,不可能有一流的产品。然而,在装备方面至今没有实质性进展,亟需政府和企业有长远眼光与规划,这可以从日本、韩国等国在有机发光二极管（OLEDs）的装备研制方面得到启示。其次,二维材料的精确组装是实现其用途的关键,这也涉及制备工艺技术。通过堆垛的方法可以构筑二维材料范德华异质结,以实现单体并不具备的功能。但是通用的转移方法并不能控制层与层之间的相互作用以及晶格取向,并且会不可避免地引入杂质,为研究带来不确定性。因此开发新的组装方法也是二维材料获得应用所面临的挑战。最后,在二维材料的应用中,虽然已经有很多新颖的器件结构与优异的性能报道,但如何与当代硅基微纳光电子集成,是一个有待解决的现实问题。开发新的器件结构,优化已有器件的性能,充分发挥二维材料的独特优势,也是这一领域面临的挑战之一。
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