石墨烯與鍺烯的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)

石墨烯與鍺烯的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)

自從石墨烯的首次合成揭開了這項(xiàng)研究的序幕，人們就意識到尋找新的二維材料的潛在優(yōu)勢。石墨烯是一層碳原子，以簡單的六角形結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。碳已經(jīng)因?yàn)樾纬梢幌盗忻匀说幕瘜W(xué)鍵而聞名;同素異形體和富勒烯，包括C-60——“巴克球”——已經(jīng)合成。但人們很快就意識到，其他元素也可以形成二維同素異形體，比如硅烯和錫的錫烯。這些原子的不同性質(zhì)導(dǎo)致了它們的二維類似物的不同性質(zhì)。 

 鍺最早是在1886年被發(fā)現(xiàn)的:雖然最初它并沒有在工業(yè)上得到很多應(yīng)用，因?yàn)樗徽J(rèn)為是一種很差的導(dǎo)電體，但到了20世紀(jì)40年代和50年代，它作為半導(dǎo)體的有用光學(xué)和電子特性得到了認(rèn)可。早期的晶體管通常是由鍺制成的——現(xiàn)在仍然有很多，盡管一旦合成純度合適的硅變得更容易，鍺的吸引力就下降了。

2014年，在曼徹斯特大學(xué)首次分離石墨烯十年之后，兩個不同的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出了鍺烯。這種材料本質(zhì)上是石墨烯的近親;它由一層鍺原子組成，具有二維材料特有的六角形結(jié)構(gòu)。石墨烯最初是在20世紀(jì)60年代在金屬板上進(jìn)行研究的，直到2004年才被重新發(fā)現(xiàn)、分離和表征;
這種鍺是由一個歐洲團(tuán)隊(duì)通過分子束外延技術(shù)在金基底上合成的，而一個中國團(tuán)隊(duì)使用的是鉑。在這個過程中，單個原子以非常低的壓力和高溫沉積在基板上。在許多方面，它與石墨烯具有相似的性質(zhì)。它們都具有高電子遷移率的特點(diǎn)——這是一種測量電子對外加電場反應(yīng)程度的方法。

電子遷移率是制備優(yōu)良半導(dǎo)體材料的關(guān)鍵量之一;石墨烯的載流子遷移率超過15000平方厘米/秒，大約是硅載流子遷移率的10倍。盡管germanene尚未細(xì)化程度不盡相同,理論計(jì)算表明,內(nèi)在流動性,可以得到一個“完美”的材料,流動性是有限的只有聲子,或從晶格的振動散射比graphene.spin-orbit——germanene甚至更高。

鍺烯和石墨烯之間的差異主要是由于其六角形結(jié)構(gòu)的不同。石墨烯的六角形晶體結(jié)構(gòu)是扁平的，而鍺烯的晶體結(jié)構(gòu)是彎曲的;它的晶格由兩個垂直分離的子晶格組成，不像石墨烯晶格被限制在一個平面上。由此導(dǎo)致的材料性能有重要的電子差異。2012年發(fā)表在《納米快報(bào)》(Nano Letters)上的一篇論文計(jì)算出，在合成鍺烯之前，如果施加垂直電場，鍺烯上的帶隙可以打開——這意味著它可以作為場效應(yīng)晶體管的理想材料;現(xiàn)代電子產(chǎn)品的重要組成部分。

除此之外，鍺在半導(dǎo)體中與硅一起使用的事實(shí)表明，將鍺集成到現(xiàn)有的半導(dǎo)體電路和應(yīng)用中可能更容易。

另一個重要的區(qū)別是鍺的原子性質(zhì)。它表現(xiàn)出非常高的自旋軌道耦合，這意味著有不同的能級基于電子的自旋。鍺的自旋軌道間隙為24meV(毫電子伏特)，而石墨烯的自旋軌道間隙小于0.05meV。這意味著鍺是一種二維材料，可能在量子計(jì)算的新興領(lǐng)域有真正的用途。構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)所需的關(guān)鍵組件之一是獲得量子態(tài)，量子態(tài)可用于以量子位的形式編碼信息。電子上的自旋是一種經(jīng)典的量子態(tài)，有很好的文獻(xiàn)證明，它有可能被測量和操縱。

這是一種新的電子學(xué)形式——自旋電子學(xué)——鍺在這些研究中很可能是一種有用的材料。自旋軌道間隙也引起了量子凝聚態(tài)物理學(xué)家的興趣:它可以作為一種實(shí)驗(yàn)材料，在可達(dá)到的溫度下觀察量子自旋霍爾效應(yīng)。 量子自旋霍爾態(tài)不僅引起了理論物理學(xué)家和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的興趣——盡管這一領(lǐng)域的理論突破最近獲得了諾貝爾獎。

它們與物質(zhì)的一個新階段——拓?fù)浣^緣體相聯(lián)系。您可以將拓?fù)浣^緣體描述為“內(nèi)部是絕緣體，外部導(dǎo)電”的材料。大塊的材料不導(dǎo)電，但外面是超導(dǎo)的!合成這樣的材料可能會帶來新的電子產(chǎn)品:有人提出，納米尺度的電線可以由拓?fù)浣^緣體制成。這可能會導(dǎo)致非常快和小的電路，讓我們保持摩爾定律，并增加處理速度和密度的計(jì)算能力，我們可以在我們的電路中獲得。



此外，二維拓?fù)浣^緣體類具有重要的自旋電子性質(zhì)。石墨烯最初被預(yù)測具有拓?fù)浣^緣相，但由于碳的自旋軌道耦合如此之低，人們預(yù)計(jì)石墨烯近期內(nèi)不可能觀察到這種狀態(tài)——在室溫下可能也不可能出現(xiàn)這種狀態(tài)。外部應(yīng)變能引起鍺帶隙的變化;這是由于與石墨烯形成對比的雙晶格結(jié)構(gòu)。考慮到可以通過這種應(yīng)變調(diào)整鍺的帶隙，它可能會作為太陽能電池板材料或led應(yīng)用;這對于前面提到的納米電子應(yīng)用也很有用。



石墨烯和鍺烯很可能最終會找到一套完全不同的用途。石墨烯更容易生產(chǎn);你可以用各種方法來制備石墨烯，包括像石墨這樣的材料的簡單剝落，而不是緩慢而昂貴地通過分子束外延。此外，碳是一種比鍺更豐富的物質(zhì)。



然而，與此同時，鍺烯具有許多使石墨烯成為如此令人興奮的材料的特性，并增加了一些對自旋電子學(xué)、量子計(jì)算和半導(dǎo)體器件的潛在應(yīng)用極具興趣的特性。而且，考慮到通過在范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中把不同的二維層夾在一起來合成二維材料的新特性的趨勢越來越大，這兩種材料最終可能組合成具有更大應(yīng)用范圍的東西。

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