定制化混合二维材料的研发基础已奠定

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创造了一种真正的二维杂化物——他们通过化学方法将两种根本不同的二维材料——石墨烯和二氧化硅玻璃——整合成一种名为“玻璃烯”(glaphene)的单一稳定化合物。

"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存在时都不具备的特性，"该研究的第一作者、莱斯大学博士生Sathvik Iyengar说。

更重要的是，Iyengar解释说，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的二维杂化物。

"这为组合全新的二维材料类别打开了大门——例如金属与绝缘体，或磁体与半导体——从而从头构建定制材料，"Iyengar表示。

该团队开发了一种两步单反应法来生长玻璃烯，使用的是含硅和碳的液态化学前驱体。通过在加热过程中调控氧气水平，他们首先生长石墨烯，随后改变条件以促进二氧化硅层的形成。这需要借助与印度巴纳拉斯印度大学访问教授Anchal Srivastava合作数月设计的定制高温低压装置。

"这套装置是实现合成的关键，"Iyengar说。"所得材料是具有新电子特性和结构特性的真正杂化物。"

材料合成后，莱斯团队与萨塞克斯大学的Manoj Tripathi和Alan Dalton合作确认其结构。首个表明玻璃烯是全新物质的线索来自一个异常现象。当团队使用拉曼光谱（通过测量散射激光的细微偏移来探测原子振动）分析该材料时，发现了既不符合石墨烯也不符合二氧化硅的信号。这些意外的振动特征暗示了层间存在更深层次的相互作用。

在大多数二维材料堆叠中，各层仅弱结合（如同冰箱门上的磁铁）。但在玻璃烯中，层间通过远强于弱范德华键的作用力锁定，使得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。最终发现该异常实为假象——Iyengar强调这重要地提醒我们，即使可复现的结果也需谨慎对待。

为在原子层面更好地理解键合层的行为，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。

"这不是单靠一个实验室能完成的工作，"Iyengar说——他近期作为日本学术振兴会(JSPS)研究员赴日交流一年，亦是四方奖学金(Quad Fellowship)的首批获得者（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舞台上科学、政策与外交的交叉领域）。"这项研究是跨越大陆的合作，旨在创造并理解自然界自身无法形成的材料。"

莱斯大学本杰明·M.及玛丽·格林伍德·安德森工程学教授、材料科学与纳米工程教授Pulickel Ajayan指出，虽然玻璃烯的发现本身意义重大，但真正令人兴奋的是其引入的更广泛方法——为化学整合根本不同的二维材料提供了新平台。

该研究体现了Iyengar自称从导师处继承的指导原则。

"自攻读博士以来，导师始终鼓励我探索融合他人犹豫组合的构想，"他引用该研究的通讯作者之一（另一位是Meunier）Ajayan教授的话说。"Ajayan教授还说过，真正的创新诞生于犹豫的交界点——本项目正是明证。"

本研究获得以下资助：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院；米纳斯吉拉斯州研究资助基金会；巴西国家科学技术发展委员会。本文内容完全由作者负责，不代表资助机构和组织的官方观点。

Iyengar、Srivastava、Meunier和Ajayan声明有意寻求知识产权保护，相关技术的美国临时专利申请已提交。