为定制化杂化二维材料奠定基础

莱斯大学材料科学家领导的一个国际研究团队成功通过化学方法将两种本质上不同的二维材料——石墨烯和二氧化硅玻璃——整合成一种名为glaphene的新型稳定化合物。该研究发表在Advanced Materials期刊上。

"这些层并非简单堆叠——电子会移动并形成新的相互作用和振动态，从而产生两种材料单独都不具备的特性，"该研究的第一作者、莱斯大学博士生萨西维克·艾扬格（Sathvik Iyengar）表示。

艾扬格解释称，更重要的是，该方法可广泛应用于各类二维材料，有望为下一代电子学、光子学和量子器件开发定制化的二维杂化材料。

"这为组合全新的二维材料类别（如金属与绝缘体，或磁体与半导体）打开了大门，从而从零开始创建量身定制的材料，"艾扬格说道。

研究团队开发了一种两步单反应法，使用含硅和碳的液态化学前驱体生长glaphene。通过调控加热过程中的氧含量，他们首先生长石墨烯，随后改变条件促进二氧化硅层形成。该过程需使用与印度贝拿勒斯印度教大学客座教授安查尔·斯里瓦斯塔瓦（Anchal Srivastava）合作数月设计的定制高温低压装置。

"该装置是实现合成的关键，"艾扬格表示，"所得材料是具备全新电子和结构特性的真正杂化物。"

材料合成后，莱斯大学团队与萨塞克斯大学的马诺吉·特里帕蒂（Manoj Tripathi）和艾伦·道尔顿（Alan Dalton）合作确认其结构。首个表明glaphene属于新物质的线索来自一项异常现象。当团队使用拉曼光谱（通过测量散射激光的细微偏移来检测原子振动）分析材料时，发现了与石墨烯或二氧化硅均不匹配的信号。这些意外的振动特征暗示层间存在更深层次的相互作用。

在大多数二维材料堆叠中，各层仅通过类似冰箱门上磁铁的弱作用力固定。但在glaphene中，层间通过远强于弱范德华键的作用力锁定，使电子能在层间流动并产生全新的行为特性。

为深入研究，艾扬格咨询了巴西光谱学专家马科斯·皮门塔（Marcos Pimenta）。最终确认该异常属于假象——艾扬格强调，这提醒我们即使可重现的结果也需谨慎对待。

为在原子层面理解键合层的行为，团队与宾夕法尼亚州立大学的文森特·莫尼耶（Vincent Meunier）合作，通过量子模拟验证实验结果。模拟证实石墨烯与二氧化硅层以独特方式相互作用并键合，在界面上部分共享电子。这种杂化键合改变了材料的结构和行为，将金属和绝缘体转变为新型半导体。

"这不是单靠一个实验室能完成的工作，"艾扬格说。他近期作为日本学术振兴会（JSPS）研究员在日本交流一年，同时也是美印澳日四国政府联合发起的"四方奖学金"（Quad Fellowship）首批获得者，该项目旨在支持青年科学家探索全球舞台上科学、政策与外交的交汇点。"这项研究是跨越大陆的合作成果，旨在创造并理解自然界无法自发形成的材料。"

莱斯大学本杰明·M·与玛丽·格林伍德·安德森工程讲席教授、材料科学与纳米工程教授普利克尔·阿贾扬（Pulickel Ajayan）表示，虽然glaphene的发现本身具有重要意义，但这项研究真正的突破在于它提出的普适性方法——为化学整合本质不同的二维材料提供了新平台。

该研究体现了艾扬格所称的导师传承理念。

"自攻读博士以来，导师就鼓励我探索融合他人犹豫组合的创意，"他引用该研究与莫尼耶并列通讯作者的阿贾扬教授的话说，"阿贾扬教授还说过，真正的创新诞生于犹豫的交界处——本项目正是这一理念的实证。"

本研究获得四方奖学金计划、美国空军科学研究办公室资助的莱斯-宾州州立合作项目(FA9550-23-1-0447)、美国国家科学基金会研究生研究奖学金计划(2236422)、萨塞克斯大学战略发展基金、巴西碳纳米材料科技研究院、米纳斯吉拉斯州研究资助基金会和巴西国家科学技术发展委员会的支持。本文内容完全由作者负责，不一定代表资助机构及单位的官方观点。

艾扬格、斯里瓦斯塔瓦、莫尼耶和阿贾扬声明有意就相关技术申请知识产权保护，目前美国临时专利申请已提交。