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实现疯狂的想法
在研究者们关注TMDC的同时,理论学者们正在寻找其他可设计为二维结构的材料。一个显而易见的选择是硅:硅位于元素周期表中碳的正下方,与碳的成键方式相似,具有天然带隙,并被广泛用于电子工业中。
不幸的是,理论预测表明这种“硅烯”二维薄片活性非常高,在空气中极不稳定。它也无法像其他二维材料一样通过从晶体上撕下来制备:自然状态的硅只存在类似于金刚石结构的三维形态,没有任何一种是石墨那样的片状层叠结构。
“人们说这太疯狂了,根本不可能实现。”法国艾克斯-马赛大学的物理学家居伊˙勒莱(Guy Le Lay)说。然而多年研究在硅表面生长金属的勒莱意识到,把这逆转过来就得到了制造硅烯的方法——在金属上生长原子厚度的硅。2012年,他成功制备出硅烯:在银上生长了硅烯层,且其原子结构呈现出完美的二维特征。
在这一成果的鼓舞下,勒莱和其他研究者们从此开始向元素周期表中碳族的下方进发。去年,他使用与前述类似的技术展示了在金基底上生长的二维网状锗原子——也就是锗烯。
科学家的下一个目标正是锡烯。锡烯的带隙应该会比硅烯和锗烯更大,因此它的器件能够在更高的温度和电压下工作。此外,科学家预测锡烯中电荷的输运仅发生在其外缘,因此它将有超高的导电效率。
换一种元素
研究者们也在探索元素周期表的其他部分。张远波的研究组和美国普渡大学叶培德领导的另一个研究组去年从黑磷中剥离出了二维层状结构。像石墨烯一样,磷烯传导电子很快; 而与石墨烯不同的是,它有天然带隙,而且它比硅烯更稳定。
磷烯迅速崛起。在2013年的美国物理学会会议上,它还仅仅是张远波课题组成员发表的一个报告的主题; 到2015年,大会就有了三个专门关于它的分会场。然而,与其他纯元素二维材料相比,磷烯与氧气和水的反应活性都很强。如果想让它的保存时间超过数小时,就需要将它夹在其他材料层之间。由于这种与生俱来的不稳定性,用“烯”类材料制造器件的难度很大;勒莱估计,约80%的相关文章都还停留在理论阶段。
尽管如此,张远波和叶培德还是成功制成了磷烯晶体管。今年,首个硅烯晶体管也问世了,尽管它只保存了几分钟。不过,勒莱依然乐观,他认为这些问题并不是不可克服的。他指出,两年前海姆和其他物理学家们还声称现有技术不可能生产出硅烯晶体管。“所以预测未来通常是很危险的。”勒莱开玩笑地说道。
下一个维度
“每一种材料就像一块乐高积木,”基什说,“如果你把它们放在一起,也许就能堆积出全新的东西。”
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