定制化混合二维材料的基础工作已奠定

莱斯大学材料科学家领导的一个国际研究团队在发表于《先进材料》期刊的一项研究中宣布，他们成功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“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。

"这些层并非仅仅是相互堆叠——电子会迁移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，"莱斯大学博士生、该研究的第一作者萨特维克·伊扬加尔表示。

伊扬加尔解释道，更重要的是，该方法可广泛应用于各类二维材料，从而推动面向下一代电子学、光子学和量子器件的定制化二维杂化材料的开发。

"这为组合全新的二维材料类别开辟了道路——例如将金属与绝缘体结合，或将磁体与半导体结合——从而从头构建量身定制的材料，"伊扬加尔说。

该团队开发了一种两步单反应法，利用含有硅和碳的液态化学前驱体生长glaphene。通过调节加热过程中的氧含量，他们先生长出石墨烯，随后改变条件以促进二氧化硅层的形成。这需要一套定制的高温低压装置，该装置是与印度贝拿勒斯印度教大学客座教授安查尔·斯里瓦斯塔瓦合作耗时数月设计的。

"这套装置是实现合成的关键，"伊扬加尔指出。"最终产物是一种具有全新电子和结构特性的真正杂化材料。"

材料合成后，莱斯大学团队与萨塞克斯大学的马诺吉·特里帕蒂和阿兰·道尔顿合作验证其结构。关于glaphene属于新型材料的首个线索源于一个异常现象。当团队使用拉曼光谱技术（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，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着层间存在更深层次的相互作用。

在大多数二维材料堆叠中，各层仅简单堆叠，如同冰箱门上的磁铁般通过弱作用力结合。但在glaphene中，层间通过远强于弱范德华键的作用力锁定，使得电子能在其间流动，并引发全新的行为特性。

为深入研究，伊扬加尔咨询了巴西光谱学专家马科斯·皮门塔。最终发现该异常实为实验假象——伊扬加尔强调，这有力地提醒我们即便可重复的结果也须谨慎对待。

为在原子层面更好理解键合层的行为，团队与宾夕法尼亚州立大学的文森特·默尼耶合作，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一种新型半导体。

"这绝非单个实验室能独立完成的工作，"伊扬加尔说。他近期作为日本学术振兴会（JSPS）研究员在日本进修一年，同时也是"四方奖学金"的首批获得者（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科学、政策与外交在全球舞台的交汇）。"这项研究是横跨多洲的合作成果，旨在创造和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·安德森工程教授、材料科学与纳米工程教授普利克尔·阿贾扬表示，虽然glaphene的发现本身意义重大，但这项研究真正令人振奋之处在于其引入的更普适方法——一种化学整合根本性差异二维材料的新平台。

该研究体现了一项指导原则，伊扬加尔称其继承自导师。

"自从攻读博士学位以来，我的导师一直鼓励我探索融合他人犹豫组合的构想，"他引用阿贾扬（与默尼耶同为论文通讯作者）的话说。"阿贾扬教授还说，真正的创新诞生于踌躇的交界处——而这个项目正是此言的明证。"

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；巴西碳纳米材料科学技术研究所；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。本文内容完全由作者负责，不一定代表资助机构及组织的官方观点。

伊扬加尔、斯里瓦斯塔瓦、默尼耶和阿贾扬表明有意推进相关知识产权保护，该技术已提交美国临时专利申请。