人工设计混合二维材料的基石已奠定

根据发表在《Advanced Materials》上的一项研究，由莱斯大学材料科学家领导的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——整合成一个名为“石墨烯玻璃（glaphene）”的单一稳定化合物，从而创造出一种真正的二维杂化材料。

该研究的第一作者、莱斯大学博士生Sathvik Iyengar表示：“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状态，从而产生两种材料单独存在时都不具备的特性。”

Iyengar解释说，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。

“它开启了将全新类别的二维材料（如金属与绝缘体、磁体与半导体）进行组合的大门，从而从头构建定制材料，”Iyengar说道。

该团队开发了一种两步单反应法，利用含有硅和碳元素的液态化学前驱体生长石墨烯玻璃。通过在加热过程中调控氧气含量，他们首先生长出石墨烯，随后调整条件以促进二氧化硅层的形成。这需要定制化的高温低压装置，该装置是与印度巴纳拉斯印度教大学访问教授Anchal Srivastava合作耗时数月设计的。

“该实验装置是实现合成的关键，”Iyengar说，“所得材料是具有新颖电子和结构特性的真正杂化体。”

材料合成后，莱斯大学团队与萨塞克斯大学的Manoj Tripathi和Alan Dalton合作确认其结构。首个表明石墨烯玻璃是新型材料的线索来自一个异常现象。当团队使用拉曼光谱（一种通过测量散射激光的细微偏移来探测原子振动的技术）分析该材料时，他们发现了与石墨烯或二氧化硅均不匹配的信号。这些意料之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磁铁般的弱作用力简单堆叠。但在石墨烯玻璃中，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。

为深入研究，Iyengar咨询了巴西光谱学专家Marcos Pimenta。最终该异常被证明是本征特性——Iyengar强调，这有力地提醒我们即使可重复的结果也必须谨慎对待。

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Vincent Meunier合作，通过量子模拟验证实验结果。这些模拟证实石墨烯层和二氧化硅层以独特方式相互作用并键合，在界面处部分共享电子。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。

“单靠一个实验室无法完成这项工作，”Iyengar说。他近期作为日本学术振兴会（JSPS）研究员赴日研修一年，并成为四国奖学金首位获得者——该计划由美、印、澳、日政府联合发起，旨在支持青年科学家探索全球舞台上科学、政策与外交的交叉领域。“这项研究是跨越数大洲的合作成果，旨在创造并理解自然界本身无法形成的材料。”

莱斯大学Benjamin M. and Mary Greenwood Anderson工程讲席教授、材料科学与纳米工程教授Pulickel Ajayan指出，虽然石墨烯玻璃的发现本身意义重大，但该研究真正激动人心之处在于其引入的普适性方法——为化学整合本质不同的二维材料提供了新平台。

这项研究体现了一项指导原则，Iyengar称其继承自导师。

“自从攻读博士学位开始，导师就鼓励我探索融合他人犹豫融合的理念，”他引用该研究通讯作者之一（与Meunier并列）Ajayan教授的话说，“Ajayan教授还说过，真正的创新发生在犹豫的交界处——这个项目正是此言的明证。”

本研究获得以下机构资助：四国奖学金计划；空军科学研究办公室资助的莱斯-宾州州立大学合作项目（FA9550-23-1-0447）；美国国家科学基金会研究生研究奖学金计划（2236422）；萨塞克斯战略发展基金；碳纳米材料科技研究所；米纳斯吉拉斯州研究资助基金会；以及巴西国家科学技术发展委员会。本文内容完全由作者负责，不一定代表资助机构和组织的官方观点。

Iyengar、Srivastava、Meunier和Ajayan声明有意就此技术寻求知识产权保护，相关美国临时专利申请已提交。