Glaphene：2D混合材料集成石墨烯和石英玻璃，用于下一代电子产品

未来技术中一些最有前景的材料只有一个原子厚，比如石墨烯，一片排列成六边形晶格的碳原子，因其卓越的强度和导电性而备受推崇。虽然存在数百种这样的材料，但真正将它们融合成新的东西仍然是一个挑战。大多数努力只是将这些原子薄片像一副扑克牌一样堆叠起来，但这些层之间通常缺乏明显的相互作用。

根据《先进材料》发表的一项研究，由莱斯大学材料科学家领导的一个国际研究小组成功地将两种根本不同的二维材料——石墨烯和石英玻璃——化学整合成一种称为glaphene的单一稳定化合物，从而创造了一种真正的二维混合体。Rice的博士生、该研究的第一作者Sathvik Iyengar说：“这些层不仅仅是相互作用的；电子移动并形成新的相互作用和振动状态，从而产生了材料本身都没有的特性。”。

更重要的是，艾扬格解释说，这种方法可以应用于广泛的二维材料，从而为下一代电子、光子学和量子器件开发设计师二维混合体。

艾扬格说：“这为将全新类别的2D材料（如金属与绝缘体或磁铁与半导体）结合起来，从头开始创造定制材料打开了大门。”。

该团队开发了一种两步单反应方法，使用含有硅和碳的液体化学前体来生长glaphene。通过在加热过程中调节氧水平，他们首先生长石墨烯，然后改变条件以有利于二氧化硅层的形成。这需要与印度巴纳拉斯印度教大学的客座教授Anchal Srivastava合作几个月设计一个定制的高温低压装置。

“正是这种设置使合成成为可能，”艾扬格说。“由此产生的材料是一种真正的混合材料，具有新的电子和结构特性。”

一旦材料被合成，Rice团队就与萨塞克斯大学的Manoj Tripathi和Alan Dalton一起确认了它的结构。glaphene是新事物的第一个线索来自一个异常现象。当研究小组使用拉曼光谱分析材料时——一种通过测量散射激光的细微变化来检测原子如何振动的技术——他们发现了与石墨烯或二氧化硅都不匹配的信号。这些意想不到的振动特征暗示了层之间更深层次的相互作用。

在大多数二维材料堆中，这些层只是固定在适当的位置，像冰箱门上的磁铁一样微弱地结合在一起。但在glaphene中，这些层通过比所谓的弱范德华键更多的方式锁定在一起，允许电子在它们之间流动，并产生全新的行为。

为了进一步调查，艾扬格咨询了巴西光谱学专家马科斯·皮门塔。最终，这种异常被证明是一种人为因素——艾扬格说，这是一个重要的提醒，即使是可重复的结果也必须谨慎对待。

为了更好地了解键合层在原子水平上的行为，该团队与宾夕法尼亚州立大学的Vincent Meunier合作，根据量子模拟验证了实验结果。这些证实了石墨烯和二氧化硅层以一种独特的方式相互作用和结合，在界面上部分共享电子。这种混合键合改变了材料的结构和行为，将金属和绝缘体变成了一种新型的半导体。

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“这不是只有一个实验室能做的事情，”艾扬格说，他最近在日本做了一年的日本科学促进会（JSPS）研究员，也是美国、印度、澳大利亚和日本政府发起的四方奖学金的首届获得者，该计划旨在支持早期职业科学家探索科学、政策和外交如何在全球舞台上相互交叉。“这项研究是一项跨大陆的努力，旨在创造和理解一种自然不能自行制造的材料。”Rice的Benjamin M.和Mary Greenwood Anderson工程教授兼材料科学和纳米工程教授Pulickel Ajayan说，虽然glaphene的发现本身就具有重要意义，但这项研究真正令人兴奋的是它引入了更广泛的方法：一个用于化学结合根本不同的2D材料的新平台。

艾扬格说，这项研究反映了他从顾问那里继承的指导原则。

“自从我开始攻读博士学位以来，我的导师一直鼓励我探索其他人不愿混合的想法，”他引用了Ajayan的话，Ajayan是这项研究的通讯作者，与Meunier一起。“Ajayan教授也说过，真正的创新发生在犹豫的交界处，这个项目就是证明。”