为设计型杂化二维材料奠定基础

根据发表在Advanced Materials期刊上的一项研究，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——石墨烯与二氧化硅玻璃——整合成一种名为"石墨硅烯（glaphene）"的单一稳定化合物，从而真正实现了二维杂化材料的创制。

该研究的共同第一作者、莱斯大学博士生萨西克·艾扬格(Sathvik Iyengar)表示："这些层并非简单堆叠，电子会发生迁移并形成新的相互作用和振动态，从而产生两种原始材料均不具备的特性。"

艾扬格特别强调，该方法可推广至多种二维材料，有望为下一代电子器件、光子学和量子设备量身定制二维杂化材料。

"这为组合全新类别的二维材料（如金属与绝缘体、磁体与半导体）开辟了道路，从而能够从底层开始构建定制化材料。"艾扬格补充道。

研究团队开发了分两步进行的单反应合成法，利用含硅碳元素的液态化学前驱体生长石墨硅烯。通过在加热过程中精细调控氧气浓度，他们首先生长石墨烯，随后改变反应条件促进二氧化硅层形成。该过程需使用与印度巴纳拉斯印度大学访问教授安查尔·斯里瓦斯塔瓦(Anchal Srivastava)合作数月设计的定制化高温低压装置。

"这套装置是实现合成的关键，"艾扬格指出，"最终获得的材料是具有全新电子与结构特性的真正杂化体。"

材料合成后，莱斯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)合作进行结构确认。首个表明石墨硅烯具有新颖性的线索来自异常现象：当团队使用拉曼光谱（通过测量激光散射光的微妙偏移来探测原子振动）分析材料时，检测到既不属于石墨烯也不属于二氧化硅的信号。这些意外的振动特征暗示层间存在深层相互作用。

在多数二维材料堆叠体中，各层仅通过类似冰箱贴的弱作用力简单堆积。但石墨硅烯中的层间结合远超越弱范德华键，实现了电子跨层流动并引发全新行为模式。

为深入探究，艾扬格咨询了巴西光谱学专家马科斯·皮门塔(Marcos Pimenta)。最终该异常被证实为实验假象——艾扬格强调，这一发现警示研究人员即使可重复的结果也需谨慎对待。

为从原子层面理解键合层的行为机制，团队与宾夕法尼亚州立大学的文森特·默尼耶(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，在界面处形成部分电子共享。这种杂化键合改变了材料的结构和行为，将金属与绝缘体转变为新型半导体。

"这绝非单一实验室所能完成，"艾扬格表示。他近期作为日本学术振兴会(JSPS)研究员赴日交流一年，同时是四方安全对话(Quad)奖学金的首届获得者——该计划由美、印、澳、日四国政府发起，旨在支持青年科学家探索全球视野下科学、政策与外交的交叉领域。"这项研究是跨越大陆的合作成果，共同创造了自然界不存在的新材料。"

莱斯大学本杰明·M·玛丽·格林伍德·安德森工程学教授、材料科学与纳米工程系教授普利克尔·阿贾扬(Pulickel Ajayan)指出，虽然石墨硅烯的发现本身意义重大，但更令人振奋的是该研究提出的普适性方法——为化学整合本质相异的二维材料建立了新平台。

这项研究践行了艾扬格从导师处传承的指导原则。

"自攻读博士学位起，导师就鼓励我融合他人踌躇不前的构想，"他引用本研究通讯作者阿贾扬与默尼耶教授的观点说道，"阿贾扬教授曾言，真正的创新诞生于犹豫的交界处——本项目正是此言的最佳印证。"

本研究获得以下支持：四方安全对话奖学金计划；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）；萨塞克斯大学战略发展基金；巴西碳纳米材料科技研究所；米纳斯吉拉斯州研究支持基金会；巴西国家科学技术发展委员会。本文内容由作者全权负责，未必代表资助机构及单位的官方观点。

艾扬格、斯里瓦斯塔瓦、默尼耶和阿贾扬声明将推进相关知识产权保护，本技术已提交美国临时专利申请。