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- 發(fā)布時間2025-06-06 16:37
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《先進材料》雜志發(fā)表的一項研究報告稱，由萊斯大學(xué)材料科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際團隊通過將石墨烯和二氧化硅玻璃化學(xué)結(jié)合成一種穩(wěn)定的化合物，成功合成了一種二維混合材料——石墨烯。
一些最有前景的未來技術(shù)材料是由原子級薄層構(gòu)成的。例如，石墨烯是由六邊形晶格排列的單層碳原子構(gòu)成的，以其卓越的強度和導(dǎo)電性而聞名。
盡管已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種二維材料，但將它們組合成全新的材料仍然是一項挑戰(zhàn)。大多數(shù)嘗試都是像卡片一樣堆疊這些層，但這些層之間的相互作用通常很弱。
“各層之間并不是簡單地相互疊加；電子會移動并形成新的相互作用和振動狀態(tài)，從而產(chǎn)生任何一種材料本身都不具備的特性。”研究第一作者、萊斯大學(xué)博士生Sathvik Iyengar說。
更重要的是，艾揚格指出，這項新技術(shù)可以應(yīng)用于各種二維材料，從而可以設(shè)計用于量子器件、光子學(xué)和下一代電子產(chǎn)品的混合材料。
艾揚格補充道：“它為結(jié)合全新的二維材料打開了大門，例如將金屬與絕緣體或磁鐵與半導(dǎo)體結(jié)合起來，從頭開始創(chuàng)造定制材料?！?/span>
該團隊開發(fā)了一種兩步單反應(yīng)方法，從含有硅和碳的液體前體中生長出石墨烯。通過在加熱過程中仔細調(diào)節(jié)氧氣含量，他們首先形成石墨烯，然后改變條件以促進二氧化硅層的形成。
為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員與印度貝拿勒斯印度大學(xué)客座教授 Anchal Srivastava 合作，歷時數(shù)月，構(gòu)建了一個定制的高溫低壓裝置。
艾揚格表示：“正是這種裝置使得合成成為可能。最終得到的材料是一種真正的混合物，具有新的電子和結(jié)構(gòu)特性?！?/span>
合成該材料后，該團隊與薩塞克斯大學(xué)的Manoj Tripathi和Alan Dalton合作驗證了其結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)中一個意想不到的結(jié)果首次暗示了glaphene是一種新物質(zhì)。
利用拉曼光譜（一種通過分析激光位移來檢測原子振動特征的技術(shù)），研究人員觀察到了與石墨烯或二氧化硅不同的信號。這些不尋常的振動特性表明，各層之間的相互作用比預(yù)期的更強烈。
在典型的二維堆疊中，層與層之間由較弱的范德華力結(jié)合在一起，類似于磁鐵吸附在冰箱上。相比之下，玻璃烯的層與層之間表現(xiàn)出更強的相互作用，使電子能夠在層與層之間移動，并產(chǎn)生新的行為。
為了進一步調(diào)查，艾揚格咨詢了巴西光譜學(xué)專家馬科斯·皮門塔 (Marcos Pimenta)。觀察到的異常結(jié)果被證實是人為的，這提醒我們，即使是可重復(fù)的結(jié)果也必須謹慎解讀。
為了更好地理解原子層面上鍵合層的行為，研究人員與賓夕法尼亞州立大學(xué)的Vincent Meunier合作。通過將實驗結(jié)果與量子模擬進行比較，他們發(fā)現(xiàn)石墨烯和二氧化硅層在界面處形成部分鍵合，從而允許電子跨層共享。
這種混合鍵合改變了結(jié)構(gòu)和功能，有效地將金屬和絕緣材料轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦桶雽?dǎo)體。
“這不是僅靠一個實驗室就能做到的。這項研究是一項跨洲際的努力，旨在創(chuàng)造和理解一種自然界無法自行制造的材料，”艾揚格說道。
艾揚格最近作為日本學(xué)術(shù)振興會 (JSPS) 的研究員在日本呆了一年，并成為四方研究金的首位獲得者。四方研究金是由美國、印度、澳大利亞和日本政府設(shè)立的一項計劃，旨在支持在科學(xué)、政策和外交交叉領(lǐng)域工作的早期職業(yè)科學(xué)家。
萊斯大學(xué)本杰明·M·和瑪麗·格林伍德·安德森工程學(xué)教授、材料科學(xué)與納米工程教授普利克爾·阿賈揚強調(diào)了這項研究的廣泛意義。他表示，雖然發(fā)現(xiàn)玻璃烯本身意義重大，但真正令人興奮的是，它有可能將完全不同的二維材料通過化學(xué)方法結(jié)合起來。
艾揚格將其指導(dǎo)原則歸功于他的導(dǎo)師，而這一指導(dǎo)原則也體現(xiàn)在了團隊的做法中。
“自從我開始攻讀博士學(xué)位以來，我的導(dǎo)師就一直鼓勵我去探索那些其他人猶豫不決的想法。阿賈揚教授也說過，真正的創(chuàng)新發(fā)生在猶豫的交匯處，而這個項目就是證明?！彼昧税①Z揚的話說道。阿賈揚與穆尼爾共同擔(dān)任這項研究的通訊作者。
該研究獲得了多個來源的資助：蘇塞克斯戰(zhàn)略發(fā)展基金；美國國家科學(xué)基金會研究生研究獎學(xué)金計劃（2236422）；空軍科學(xué)研究辦公室資助的萊斯-賓夕法尼亞州立大學(xué)合作項目（FA9550-23-1-0447）；四方聯(lián)誼會；碳納米材料科學(xué)與技術(shù)研究所；米納斯吉拉斯州國家安全基金會；和巴西國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展委員會。
Iyengar、Srivastava、Meunier 和 Ajayan 表示有興趣為其方法申請知識產(chǎn)權(quán)，并且已在美國提交了臨時專利申請。
信息來源：Carbontech
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