科學(xué)家公布石墨烯最新“表親”

科學(xué)家首次制造出Stanene。圖片來(lái)源：《自然—材料》

兩年前，物理學(xué)家曾預測錫應該能夠形成僅有一個(gè)原子厚的網(wǎng)格，如今研究人員表示他們終于制出了這種材料。這種薄膜被稱(chēng)為Stanene，研究人員在8月3日出版的《自然—材料》上報告了這一成果。但是他們尚未能證實(shí)這種新材料是否像預期的那樣具有讓理論學(xué)家激動(dòng)的奇異電子特性，例如能夠在導電的同時(shí)不產(chǎn)生任何形式的廢熱。

Stanene是石墨烯最新的表親，后者是一種由碳原子構成的蜂窩晶格，曾引發(fā)了數以千計的相關(guān)二維材料研究。這些研究包括由硅原子構成的硅烯片;由磷構成的phosphorene;由鍺構成的germanene;以及結合不同類(lèi)型化學(xué)元素的薄膜片。

許多薄膜都是電的極佳導體，但Stanene在理論上要更加特殊。在室溫下，電子應該能夠沿著(zhù)網(wǎng)格的邊緣前進(jìn)而不會(huì )像在大多數材料中那樣碰撞到其他電子和原子。根據美國加利福尼亞州斯坦福大學(xué)物理學(xué)家張守成在2013年的預測，這將使得薄膜在導電的同時(shí)不會(huì )以廢熱的形式損失能量。張守成同時(shí)也是這項最新研究的作者之一。

印第安納州西拉斐特普渡大學(xué)電氣工程師兼物理學(xué)家Peide Ye認為，這意味著(zhù)一層Stanene薄膜是在電路中運送電流的完美公路。“我一直在尋找那些不僅在科學(xué)上很有趣而且在裝置中有潛在應用價(jià)值的東西。”他說(shuō)，“這真是一項非常有趣的工作。”

Stanene被預測為一種拓撲絕緣體的實(shí)例，即載荷子(例如電子)無(wú)法穿越一種材料的中心但卻能自由沿著(zhù)其邊緣移動(dòng)，其移動(dòng)方向取決于它們的自旋—— 一種量子特性——是“向上”還是“向下”。張守成表示，電流不耗散是因為大部分雜質(zhì)無(wú)法影響自旋并且不能使電子變慢。

然而盡管制造出了Stanene，但張守成及其在中國4所大學(xué)中的同事卻無(wú)法證明它是一種拓撲絕緣體。研究人員通過(guò)在真空中蒸發(fā)錫并使原子飄蕩在由碲化鉍制成的一個(gè)支持面上從而制造出晶格。張守成說(shuō)，盡管這一表面使得二維Stanene晶體得以形成，但它同時(shí)還有晶體相互作用，從而為拓撲絕緣體創(chuàng )造了一個(gè)錯誤條件。他已經(jīng)共同撰寫(xiě)了另一篇論文，研究哪些表面能更好地工作。

德國維爾茨堡大學(xué)物理學(xué)家Ralph Claessen表示并不完全清楚研究人員是如何制出Stanene的。他說(shuō)自己需要看到來(lái)自X射線(xiàn)衍射的晶格結構直接測量結果，以便確認研究小組真的制造出了Stanene，而不是錫的其他排列形式。但這需要比張守成及其同事制造的更多的材料。

而法國艾克斯馬賽大學(xué)物理學(xué)家Guy Le Lay卻對證實(shí)Stanene的電子特性表示樂(lè )觀(guān)。“這就像登月。”他說(shuō)，“第一步至關(guān)重要。”

石墨烯是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和多層石墨烯的統稱(chēng)。因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來(lái)發(fā)展更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實(shí)質(zhì)上是一種透明、良好的導體，也適合用來(lái)制造透明觸控屏幕、光板甚至是太陽(yáng)能電池。