科学家公布石墨烯最新“表亲”

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学报 作者:赵熙熙

科学家首次制造出Stanene

科学家首次制造出Stanene。图片来源:《自然—材料》

两年前,物理学家曾预测锡应该能够形成仅有一个原子厚的网格,如今研究人员表示他们终于制出了这种材料。这种薄膜被称为Stanene,研究人员在8月3日出版的《自然—材料》上报告了这一成果。但是他们尚未能证实这种新材料是否像预期的那样具有让理论学家激动的奇异电子特性,例如能够在导电的同时不产生任何形式的废热。

Stanene是石墨烯最新的表亲,后者是一种由碳原子构成的蜂窝晶格,曾引发了数以千计的相关二维材料研究。这些研究包括由硅原子构成的硅烯片;由磷构成的phosphorene;由锗构成的germanene;以及结合不同类型化学元素的薄膜片。

许多薄膜都是电的极佳导体,但Stanene在理论上要更加特殊。在室温下,电子应该能够沿着网格的边缘前进而不会像在大多数材料中那样碰撞到其他电子和原子。根据美国加利福尼亚州斯坦福大学物理学家张守成在2013年的预测,这将使得薄膜在导电的同时不会以废热的形式损失能量。张守成同时也是这项最新研究的作者之一。

印第安纳州西拉斐特普渡大学电气工程师兼物理学家Peide Ye认为,这意味着一层Stanene薄膜是在电路中运送电流的完美公路。“我一直在寻找那些不仅在科学上很有趣而且在装置中有潜在应用价值的东西。”他说,“这真是一项非常有趣的工作。”

Stanene被预测为一种拓扑绝缘体的实例,即载荷子(例如电子)无法穿越一种材料的中心但却能自由沿着其边缘移动,其移动方向取决于它们的自旋—— 一种量子特性——是“向上”还是“向下”。张守成表示,电流不耗散是因为大部分杂质无法影响自旋并且不能使电子变慢。

然而尽管制造出了Stanene,但张守成及其在中国4所大学中的同事却无法证明它是一种拓扑绝缘体。研究人员通过在真空中蒸发锡并使原子飘荡在由碲化铋制成的一个支持面上从而制造出晶格。张守成说,尽管这一表面使得二维Stanene晶体得以形成,但它同时还有晶体相互作用,从而为拓扑绝缘体创造了一个错误条件。他已经共同撰写了另一篇论文,研究哪些表面能更好地工作。

德国维尔茨堡大学物理学家Ralph Claessen表示并不完全清楚研究人员是如何制出Stanene的。他说自己需要看到来自X射线衍射的晶格结构直接测量结果,以便确认研究小组真的制造出了Stanene,而不是锡的其他排列形式。但这需要比张守成及其同事制造的更多的材料。

而法国艾克斯马赛大学物理学家Guy Le Lay却对证实Stanene的电子特性表示乐观。“这就像登月。”他说,“第一步至关重要。”

石墨烯是一种二维碳材料,是单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯的统称。因其电阻率极低,电子迁移的速度极快,因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体,也适合用来制造透明触控屏幕、光板甚至是太阳能电池。

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