为实现人工设计混合二维材料奠定基础

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整合两种根本不同的二维材料——石墨烯和二氧化硅玻璃——创造出名为"glaphene"的全新二维混合化合物。

莱斯大学博士生、该研究第一作者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及振动态，从而产生两种材料单独存在时都不具备的特性。"

Iyengar解释称，更重要的是该方法可广泛应用于各类二维材料，有望为下一代电子设备、光子学和量子器件开发定制化二维混合材料。

"这为组合全新类别的二维材料打开了大门——例如金属与绝缘体或磁体与半导体——从而从头构建定制化材料，"Iyengar说道。

研究团队开发了两步单反应法，利用含硅碳液态化学前驱体生长glaphene。通过在加热过程中调控氧含量，他们首先生长石墨烯，随后改变条件促进二氧化硅层形成。该过程需要特殊高温低压装置，由莱斯大学与印度巴纳拉斯印度大学客座教授Anchal Srivastava合作耗时数月设计完成。

"该实验装置是实现合成的关键，"Iyengar强调，"所得材料是具有全新电子与结构特性的真正混合体。"

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。首个显示glaphene新颖性的线索来自异常现象：当团队使用拉曼光谱（通过测量散射激光的细微偏移探测原子振动）分析材料时，发现既不符合石墨烯也不符合二氧化硅的信号特征。这些反常振动特征暗示了层间存在深层相互作用。

在多数二维材料堆叠中，各层仅通过类似冰箱门上磁铁的弱作用力结合。但在glaphene中，层间通过远超弱范德华力的强键锁定，使电子可在层间流动并引发全新行为。

为深入探究，Iyengar咨询了巴西光谱学专家Marcos Pimenta。最终该异常被证实是实验假象——Iyengar指出这提醒我们即使可重复结果也需谨慎对待。

为从原子层面理解键合层行为，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与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。这种混合键合改变了材料的结构和行为，使金属与绝缘体转变为新型半导体。

"这绝非单一实验室能完成的任务，"Iyengar表示。他近期作为日本学术振兴会(JSPS)研究员赴日交流一年，同时是美印澳日四国政府联合发起的Quad Fellowship首批获得者，该项目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。"这项研究是横跨多大陆的合作成果，共同创造了自然界无法自发形成的新材料。"

莱斯大学Benjamin M. and Mary Greenwood Anderson工程教授、材料科学与纳米工程教授Pulickel Ajayan指出，虽然glaphene的发现本身具有重要意义，但真正令人兴奋的是该研究引入的更广泛方法——为化学整合根本性差异二维材料提供了新平台。

这项研究体现了Iyengar所称从导师处传承的指导原则。

"自攻读博士以来，导师始终鼓励我探索他人犹豫组合的创意，"他引用该研究通讯作者Ajayan与Meunier的观点说道，"Ajayan教授还说过，真正的创新诞生于犹豫的交界处——本项目正是此言的明证。"

研究获得了Quad Fellowship项目、美国空军科学研究办公室资助的莱斯-宾州州立合作项目(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、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及巴西国家科学技术发展委员会的支持。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声明对该技术知识产权具有保护意向，已提交美国临时专利申请。