二维材料,并非只有石墨烯

Fanny Littmarck | 2013年 12月 13日

您也许听过这样一个故事,研究人员在一层石墨上反复用胶带粘贴,最终发现了石墨烯。石墨烯拥有许多优良的属性,比如它令人难以置信的强度、质量和电学属性;但并不是只有石墨烯具备这类属性。其他一些二维材料也可以用于电气应用,有些可以结合石墨烯使用,也有些材料可单独使用。

天然石墨烯

石墨烯具有很多优势,以及一些不同寻常的材料属性。借用我同事 Dan 在之前一篇博客中的说法,石墨烯的强度大约比钢高 200 倍,同时电导率和导热系数均高于铜。Dan 认为石墨烯具有高电导率和导热系数的原因在于,它的室温电子迁移率高达 15,000 cm2/(V-s),在某些形式下甚至达到 200,000 cm2/(V-s)。《科技纵览》年初刊发的一篇文章用非常简单的方式解释了这个原因:

“例如,在低温下,电子在给定电压下通过材料的速度比在硅中快 100倍。”

此外,正如我之前提到的,石墨烯非常轻,实际上,每平方米的重量不到 1 毫克。所有这些都使天然石墨烯成为制造 RF 晶体管和其他电子产品的不错选择。

石墨烯的六边形碳原子配置
石墨烯,图片由 AlexanderAIUS 提供。

虽说有上述优点,但天然的石墨烯并非完全没有缺点。正如我们在《科技纵览》文章中了解到的,天然石墨烯不像半导体材料那样拥有带隙(或电子激励的临界值),也就是说您将无法关闭电流。众所周知,能够控制电流开关是制作逻辑器件的关键,这也是半导体硅被广泛应用于现代电子产品中的原因。

那么,上一篇博客中提到的向石墨烯中引入带隙的研究如何呢? 从我提到的那篇文章来看,我们可能还无法实现这一点。也许可以通过在一层材料之上堆叠另一层材料,一层层堆叠下去,或将其切成纳米带,从而引入带隙;但据称这样会带来严重的负面影响, 即降低电子速度。

其他二维材料

虽然石墨烯的研究和制造正在有条不紊地进行中,也被研究人员广泛讨论着,但目前也存在一些尚未被我们充分发掘但同样很有潜力的材料,它们可以单独使用,也可以结合石墨烯使用。

氮化硼

虽然石墨烯中不存在带隙,但氮化硼却和钻石一样拥有非常宽的带隙。虽然带隙太大,不适宜用于电流开关,但它可以作为一种不错的绝缘体。科研人员结合这种材料和石墨烯,在制作极薄的电路方面已经取得了一些突破。

Boron nitride
氮化硼。

硅烯

作为石墨烯的竞争对手,硅烯是一种只有单层原子厚、同时可以在银表面生长的材料。硅烯拥有一些和石墨烯类似的材料属性(例如无质量狄拉克费米子),但同时还具有一些更加优秀的特征,包括更低的对称性组、更强的自旋-轨道耦合,它也许比石墨烯更适合与硅基电子器件集成

Silicene
硅烯,图片由 Ayandatta 提供。

锡烯

最近,研究人员使用仿真工具,结合锡的二维单分子膜和氟原子,制造了称为锡烯的材料,它看上去与石墨烯非常像。研究人员预测,在室温下,锡烯的边缘能以 100% 的效率传导电能,但内部绝缘。预计它能够以零电阻的形式支持 4 条数据通路,每条边支持两条传播方向相反的通路。

换言之,人们认为材料可以作为双并行超导线缆。在电阻方面,这种新型材料与正常导体之间有一个很有意思的区别: 在常规导体中,更长的线缆往往意味着更高的电阻;但在锡烯中,我们仅需关注末端与芯片电路接触点产生的电阻,并且电阻不会随线缆长度变化。

研究人员仍在等待对这种新型材料的实验验证,一旦验证完成,锡烯将会是继石墨烯后的另一项重大发现。

石墨烯研究与二维玻璃的意外发现

从 2004 年石墨烯被发现的那一天开始,石墨烯的研究就已经取得了重大的突破。gizmag.com 显示,2012 年,人们在研究石墨烯时无意间发现了世界上最薄的玻璃。它仅有两层原子厚,这是一项非常了不起的发现。

康奈尔的两位研究人员利用化学气相沉积在附着于石英基底的铜膜上生长石墨烯时,无意中发现了这种二维玻璃。他们发现石墨烯层变色后,决定对它进行检测, 结果发现变色的部分其实是单原子层的硅玻璃。虽然没能复现这个结果,研究人员推断这类玻璃将有可能应用于纳米科技

扩展阅读

  • 了解更多关于石墨烯的内容,请阅读我们今年早些时候发布的石墨烯系列博客

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