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材料學新革命:石墨烯與激光
作者:管理員    發布于:2015-06-13 21:40:32    文字:【】【】【
摘要:石墨烯是迄今為止制作的最輕材料,它的強度是鋼的100倍,比銅的導電性、柔韌性更好,而且很大程度上是透明的。

通常情況下,膠帶不會被看作是一種具有科學突破性的進展。但是當英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆(Andre Geim)和康斯坦丁·諾沃肖羅夫(Konstantin Novoselov)(兩人在2010年獲得諾貝爾物理學獎)2004年與同事在《科學》雜志發表了他們的研究成果——即用透明膠帶從一塊石墨烯上剝落碳原子的單原子薄片,這一研究緩緩拉開了材料學革命的序幕。

  自上述曼徹斯特研究團隊發表其研究成果的11年來,相關領域的研究成果呈指數增長,去年,全球研究人員發表的關于石墨烯的研究成果超過1.5萬項。這種現象很合乎情理:石墨烯是迄今為止制作的最輕材料,它的強度是鋼的100倍,比銅的導電性、柔韌性更好,而且很大程度上是透明的。研究人員設想了未來以石墨烯為基礎建造的每樣產品,如從下一代計算機芯片和柔性顯示器到蓄電池和燃料電池。

  然而,石墨烯可能不會通過其自身作為一種理想材料來實現未來的巨大影響,而是通過它衍生的產物。盡管石墨烯有著許多令人眼花繚亂的優點,但它也有缺點,尤其是不能充當半導體——這是微電子的基石。現在,化學家和材料學家正在努力越過石墨烯,尋找其他的材料。他們正在合成其他兩種兼具柔韌性和透明度,而且擁有石墨烯無法企及的電子特性的二維片狀材料,他們已經把其中一些轉變為具備輕量性和柔韌性的快速電子和光學設備,他們希望,這些材料可以作為未來產業的支柱。

  石墨烯,打開二維材料新視野

  從某種意義上說,二維材料并不是全新的技術。研究人員自上世紀60年代就利用分子數外延(MBE)機器開發出原子形態的薄片材料。但是MBE機器通常被用于儲存如硅和砷化鎵等材料——這些晶體材料的原子結構通常傾向于形成三維結構。從這個層面看,由MBE機器制作的原子層就像一片奶酪,是三維材料的二維版本。

  石墨烯有所不同,它更像一本書中的紙頁,中國臺灣新竹“國立清華大學”材料學教授Yi-Hsien Lee說。讓科學家大吃一驚的是,當他們近距離研究石墨烯時,卻發現塊狀石墨烯中并不存在導電性和光學特征?!白畬蟮慕萄凳鞘┎⒚揮心敲床煌??!敝泄蝦8吹┐笱厶錮硌Ъ藝旁恫ㄋ?,盡管如此,研究人員表示,“石墨烯把二維材料帶到了聚光燈下?!?/p>

  在談及高科技設備時,石墨烯的光環黯淡了一些。電子時代的大多數被認為有價值的材料都是半導體,而石墨烯更像一個金屬導體?!笆┤肥凳且恢址淺1蟮牟牧??!?美國密歇根州立大學凝聚態物理學家David Tomanek說,“但它卻和電子行業不搭邊?!?/p>

  然而,石墨烯打開了科學家的視野,使他們把目光聚焦于平面電子的新世界。他們看到了與石墨烯類似,但卻擁有新光電特征的材料,他們設計了單層硅(硅烯)、單層鍺(鍺烯)、單層錫(錫烯);他們創造了用氮化硼制作的絕緣體,該材料有著像石墨烯一樣的雞籠式晶格結構;他們制作了可用于控制特定化學反應的高效催化劑單層金屬氧化物;他們甚至還在二維薄片中圈入水分子,盡管這樣做有何用途目前仍不清楚。

  但就目前來看,大多數圍繞平面材料的研究工作聚焦于兩種材料:一種是叫作二硫化鉬(MoS2)的化合物;另一種是名為二維黑磷單晶(或稱黑磷)的單層磷原子。兩種材料都有著吸引人的電子特性,而它們的研究者之間的競爭也極為激烈。

  二硫化鉬,光學設備優選材料

  在兩種材料中,二硫化鉬研究率先起步。二硫化鉬于2008年合成,是叫作過渡金屬二硫化物材料(TMDs)大家族的成員之一。這個顯得有點“花哨”的名字代表了它們的結構:一個過渡金屬原子(即鉬原子)和一對包括硫元素、硒元素在內的來自元素周期表第16列的原子(該元素家族以氧族元素著稱)。

  讓電子制造者驚喜的是,所有TMDs均是半導體。它們和石墨烯的薄度近乎相同(在二硫化鉬中,兩層硫原子把一層鉬原子像“三明治”那樣夾在中間),但是它們卻有其他優點。就二硫化鉬而言,優點之一是電子在平面薄片中的運行速度,即電子遷移率。二硫化鉬的電子遷移速率大約是100cm2/vs(即每平方厘米每伏秒通過100個電子),這遠低于晶體硅的電子遷移速率1400 cm2/vs ,但是比非晶硅和其他超薄半導體的遷移速度更好,科學家正在研究這些材料,使其用于未來電子產品,如柔性顯示屏和其他可以靈活伸展的電子產品。

  研究表明,二硫化鉬還極易制作,即便是制作大片的二維材料。這讓工程師能以非??斕乃俁燃觳饉竊詰繾硬分械男閱?。例如,2011年,由瑞士聯邦理工學院的Andras Kis帶領的研究團隊在《自然—納米技術》發表文章稱,他們用僅有0.65納米厚的二硫化鉬單層薄片制作出首批晶體管。結果證明,那些產品以及隨后的產品比技術更先進的以硅為基礎的同類產品具有其他獨特屬性。

  除此之外,二硫化鉬還有其他令人向往的特性,即直接帶隙,這一特性使該材料把電子轉變成光子,反之亦然。這個特性也讓二硫化鉬成為光學設備中采用的優質候選對象,這些設備諸如光發射器、激光、光電探測器,甚至還包括太陽能電池。一些科學家表示,這種材料還具備儲量豐富、價格低廉、無毒性等特點,因此Yi-Hsien Lee認為:“它的前途一片光明?!?/p>

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