一种新型半导体

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来源：内容编译自azonano 。

《先进材料》杂志发表的一项研究报告称，由莱斯大学材料科学家领导的国际团队通过将石墨烯和二氧化硅玻璃化学结合成一种稳定的化合物，成功合成了一种二维混合材料——石墨烯。

一些最有前景的未来技术材料是由原子级薄层构成的。例如，石墨烯是由六边形晶格排列的单层碳原子构成的，以其卓越的强度和导电性而闻名。

尽管已经发现了数百种二维材料，但将它们组合成全新的材料仍然是一项挑战。大多数尝试都是像卡片一样堆叠这些层，但这些层之间的相互作用通常很弱。

“各层之间并不是简单地相互叠加；电子会移动并形成新的相互作用和振动状态，从而产生任何一种材料本身都不具备的特性。”研究第一作者、莱斯大学博士生Sathvik Iyengar说。

更重要的是，艾扬格指出，这项新技术可以应用于各种二维材料，从而可以设计用于量子器件、光子学和下一代电子产品的混合材料。

艾扬格补充道：“它为结合全新的二维材料打开了大门，例如将金属与绝缘体或磁铁与半导体结合起来，从头开始创造定制材料。”

该团队开发了一种两步单反应方法，从含有硅和碳的液体前体中生长出石墨烯。通过在加热过程中仔细调节氧气含量，他们首先形成石墨烯，然后改变条件以促进二氧化硅层的形成。

为了实现这一目标，研究人员与印度贝拿勒斯印度大学客座教授 Anchal Srivastava 合作，历时数月，构建了一个定制的高温低压装置。

艾扬格表示：“正是这种装置使得合成成为可能。最终得到的材料是一种真正的混合物，具有新的电子和结构特性。”

合成该材料后，该团队与萨塞克斯大学的Manoj Tripathi和Alan Dalton合作验证了其结构。数据中一个意想不到的结果首次暗示了glaphene是一种新物质。

利用拉曼光谱（一种通过分析激光位移来检测原子振动特征的技术），研究人员观察到了与石墨烯或二氧化硅不同的信号。这些不寻常的振动特性表明，各层之间的相互作用比预期的更强烈。

在典型的二维堆叠中，层与层之间由较弱的范德华力结合在一起，类似于磁铁吸附在冰箱上。相比之下，玻璃烯的层与层之间表现出更强的相互作用，使电子能够在层与层之间移动，并产生新的行为。

为了进一步调查，艾扬格咨询了巴西光谱学专家马科斯·皮门塔 (Marcos Pimenta)。观察到的异常结果被证实是人为的，这提醒我们，即使是可重复的结果也必须谨慎解读。

为了更好地理解原子层面上键合层的行为，研究人员与宾夕法尼亚州立大学的Vincent Meunier合作。通过将实验结果与量子模拟进行比较，他们发现石墨烯和二氧化硅层在界面处形成部分键合，从而允许电子跨层共享。

这种混合键合改变了结构和功能，有效地将金属和绝缘材料转变为新型半导体。

“这不是仅靠一个实验室就能做到的。这项研究是一项跨洲际的努力，旨在创造和理解一种自然界无法自行制造的材料，”艾扬格说道。

艾扬格最近作为日本学术振兴会 (JSPS) 的研究员在日本呆了一年，并成为四方研究金的首位获得者。四方研究金是由美国、印度、澳大利亚和日本政府设立的一项计划，旨在支持在科学、政策和外交交叉领域工作的早期职业科学家。

莱斯大学本杰明·M·和玛丽·格林伍德·安德森工程学教授、材料科学与纳米工程教授普利克尔·阿贾扬强调了这项研究的广泛意义。他表示，虽然发现玻璃烯本身意义重大，但真正令人兴奋的是，它有可能将完全不同的二维材料通过化学方法结合起来。

艾扬格将其指导原则归功于他的导师，而这一指导原则也体现在了团队的做法中。

“自从我开始攻读博士学位以来，我的导师就一直鼓励我去探索那些其他人犹豫不决的想法。阿贾扬教授也说过，真正的创新发生在犹豫的交汇处，而这个项目就是证明。”他引用了阿贾扬的话说道。阿贾扬与穆尼尔共同担任这项研究的通讯作者。

该研究获得了多个来源的资助：苏塞克斯战略发展基金；美国国家科学基金会研究生研究奖学金计划（2236422）；空军科学研究办公室资助的莱斯-宾夕法尼亚州立大学合作项目（FA9550-23-1-0447）；四方联谊会；碳纳米材料科学与技术研究所；米纳斯吉拉斯州国家安全基金会；和巴西国家科学技术发展委员会。

Iyengar、Srivastava、Meunier 和 Ajayan 表示有兴趣为其方法申请知识产权，并且已在美国提交了临时专利申请。

https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=41412

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