新型二维混合材料 —— 石墨烯：半导体行业的新突破

近日，《先进材料》杂志发表的一项研究报告带来了振奋人心的消息。由莱斯大学材料科学家领衔的国际团队实现了一项重大突破，他们通过将石墨烯和二氧化硅玻璃进行化学结合，成功合成出一种稳定的化合物，即二维混合材料 —— 石墨烯。

在当今材料科学领域，一些极具前景的未来技术材料是由原子级薄层构成的。以石墨烯为例，它由六边形晶格排列的单层碳原子组成，凭借卓越的强度和导电性闻名于世。然而，尽管已经发现了数百种二维材料，但要将它们组合成全新的材料却颇具挑战。以往大多数尝试是像堆叠卡片一样将这些层简单堆叠，可层与层之间的相互作用往往很微弱。

研究第一作者、莱斯大学博士生 Sathvik Iyengar 指出：“各层之间并非单纯地相互叠加，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。” 他还强调，这项新技术可应用于各种二维材料，为设计用于量子器件、光子学和下一代电子产品的混合材料开辟了道路。“它为结合全新的二维材料打开了大门，比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。”

该团队采用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。在加热过程中，他们仔细调节氧气含量，先形成石墨烯，再改变条件促进二氧化硅层的形成。为实现这一目标，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。”

合成材料后，团队与萨塞克斯大学的 Manoj Tripathi 和 Alan Dalton 合作验证其结构。利用拉曼光谱技术，研究人员观察到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，而玻璃烯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。

为进一步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。

这项研究是一项跨洲际的努力，资金来源广泛，包括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等。此外，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。这一研究成果将为未来的电子技术发展带来新的可能性。