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尽管石墨烯赚足了“眼球” 但真正奇妙之处你却不知道

2016-01-08 09:34来源:雷锋网关键词:石墨烯储能超级电容器收藏点赞

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二维材料是什么?

二维材料的电子被禁锢在二维的空间里,但并不一定都都像石墨烯,是单原子层的结构。它也可以有几个原子层的厚度,层内原子都以共价键牢牢相互结合在一起,层与层之间通过很弱的范德华力连接,各层之间还是独立的。电子只在层内运动,不会在层间流窜。

二维材料会与固态材料呈现出非常不同的性质:电子被限制在一个平面内,运动起来就会特别快 (想想沙狐球),高电子迁移率就是这么来的。而原子数量级的厚度则使得二维材料具有极佳的柔韧性和透光度。都薄得都只剩巨大的表面和几个原子厚的侧边,比表面积自然也非常大。这些二维材料独特的电子,物理,化学和光学性质,使其在众多领域都有巨大的发展潜力。

二维材料的崛起

你的笔记本电脑越来越轻薄,运算速度却越来越快,这是因为计算机的发展遵守摩尔定律。硅晶体管单位数量每18个月增加一倍,尺寸成比例减小。2025年,硅晶体管的尺寸将达到它的物理极限。用什么材料代替硅?这是个问题。

石墨烯一度被视为代替半导体硅的头号种子选手,然而作为电子材料,它有个先天不足:没有能隙。半导体在自然状态下不导电,它只有被一定能量的光,热或者外加电场激发才会导电,所需的能量称为能隙。石墨烯没有能隙,谈啥代替硅?

为了给石墨烯搞个人造能隙,科学家们也是操碎了心。2012年,Novoselov在Nature上总结了下大家的努力:“尽管可以通过形成石墨烯纳米带,单电子晶体管,或双层控制和纳米修饰等方法为石墨烯增大能隙,但能隙宽度始终小于360meV,远未达到所需的开关比,且会造成载流子迁移率的大幅度衰减。”总之,给石墨烯加能隙这事不靠谱。

瑞士洛桑理工大学的Andras Kis从2008年就开始钻研一类挺不起眼的二维材料:过渡金属硫化物族 (TMDC)。请不要被这魔性的名字吓到,其实它的结构很简单。

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