定制化杂化二维材料基础研究取得突破进展

根据发表在Advanced Materials（《先进材料》）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——创造出一种名为“玻璃石墨烯”(glaphene)的真正二维混合稳定化合物。

该研究第一作者、莱斯大学博士生萨西维克·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，有望为下一代电子器件、光子学和量子设备开发定制化二维混合材料。

“这为组合全新类别的二维材料（如金属与绝缘体或磁体与半导体）开启了大门，从而实现从底层设计定制材料，”艾扬格说道。

该团队开发了一种两步单反应法，利用含有硅和碳元素的液态化学前驱体生长玻璃石墨烯。通过调控加热过程中的氧含量，他们首先生长出石墨烯，随后改变条件促进二氧化硅层形成。该过程需要一种定制的高温低压装置，该装置由团队与印度贝拿勒斯印度教大学的客座教授安查尔·斯里瓦斯塔瓦(Anchal Srivastava)合作历时数月设计完成。

“这套装置是实现合成的关键，”艾扬格强调，“最终材料是具有新型电子和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马诺吉·特里帕蒂(Manoj Tripathi)和艾伦·道尔顿(Alan Dalton)合作验证其结构。首个表明玻璃石墨烯属于新型材料的线索源自一项异常发现。当团队使用拉曼光谱分析（通过测量散射激光的细微偏移来探测原子振动）时，检测到既不符合石墨烯也不符合二氧化硅的信号特征。这些异常的振动特征暗示了层间存在更深层次的相互作用。

在多数二维材料堆叠体中，各层仅依靠类似冰箱门上磁铁的弱作用力简单堆叠。但在玻璃石墨烯中，层间通过远强于弱范德华力的作用紧密锁定，使电子能在层间流动并产生全新的行为特性。

为深入研究，艾扬格咨询了巴西光谱学专家马科斯·皮门塔(Marcos Pimenta)。最终证实该异常实为实验假象——艾扬格强调，这提醒研究者即使可复现的结果也需谨慎对待。

为从原子层面理解键合层的特性，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，在界面处实现部分电子共享。这种混合键合改变了材料的结构和行为，将金属和绝缘体转化为新型半导体。

“这不是单一实验室能完成的工作，”艾扬格说。他近期作为日本学术振兴会(JSPS)研究员在日本交流一年，并成为美印澳日四国政府联合发起的"四方奖学金"(Quad Fellowship)首届获奖者，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。“这项研究是跨越大陆的协作成果，旨在创造并理解自然界无法自发形成的材料。”

莱斯大学本杰明·M·格林伍德与玛丽·格林伍德·安德森工程讲席教授、材料科学与纳米工程教授普利克尔·阿贾扬(Pulickel Ajayan)指出，虽然玻璃石墨烯的发现本身意义重大，但真正令人兴奋的是研究引入了更普适的方法——为化学整合根本不同的二维材料提供了新平台。

艾扬格表示，这项研究体现了其导师传承的指导理念。

他引用本研究通讯作者阿贾扬与默尼耶教授的话说：“自攻读博士学位起，导师就鼓励我将他人犹豫组合的理念进行融合。阿贾扬教授也曾指出，真正的创新诞生于犹豫的交界处——本项目正是这一理念的明证。”

本研究获得四方奖学金项目、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、巴西碳纳米材料科学技术研究所、米纳斯吉拉斯州研究资助基金会及巴西国家科学技术发展委员会的支持。本文内容责任由作者承担，不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有意寻求知识产权保护，该技术已提交美国临时专利申请。