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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，由萊斯大學材料科學家領導的國際團隊通過將石墨烯和二氧化硅玻璃化學結合成一種穩(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材料是由原子級薄層構成的。例如，石墨烯是由六邊形晶格排列的單層碳原子構成的，以其卓越的強度和導電性而聞名。
盡管已經發(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、萊斯大學博士生Sathvik Iyengar說。
更重要的是，艾揚格指出，這項新技術可以應用于各種二維材料，從而可以設計用于量子器件、光子學和下一代電子產品的混合材料。
艾揚格補充道：“它為結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體結合起來，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，研究人員與印度貝拿勒斯印度大學客座教授 Anchal Srivastava 合作，歷時數(shù)月，構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，具有新的電子和結構特性?！?/span>
合成該材料后，該團隊與薩塞克斯大學的Manoj Tripathi和Alan Dalton合作驗證了其結構。數(shù)據(jù)中一個意想不到的結果首次暗示了glaphene是一種新物質。
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），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，并產生新的行為。
為了進一步調查，艾揚格咨詢了巴西光譜學專家馬科斯·皮門塔 (Marcos Pimenta)。觀察到的異常結果被證實是人為的，這提醒我們，即使是可重復的結果也必須謹慎解讀。
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的Vincent Meunier合作。通過將實驗結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構和功能，有效地將金屬和絕緣材料轉變?yōu)樾滦桶雽w。
“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術振興會 (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立的一項計劃，旨在支持在科學、政策和外交交叉領域工作的早期職業(yè)科學家。
萊斯大學本杰明·M·和瑪麗·格林伍德·安德森工程學教授、材料科學與納米工程教授普利克爾·阿賈揚強調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方法結合起來。
艾揚格將其指導原則歸功于他的導師，而這一指導原則也體現(xiàn)在了團隊的做法中。
“自從我開始攻讀博士學位以來，我的導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。”他引用了阿賈揚的話說道。阿賈揚與穆尼爾共同擔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；美國國家科學基金會研究生研究獎學金計劃（2236422）；空軍科學研究辦公室資助的萊斯-賓夕法尼亞州立大學合作項目（FA9550-23-1-0447）；四方聯(lián)誼會；碳納米材料科學與技術研究所；米納斯吉拉斯州國家安全基金會；和巴西國家科學技術發(fā)展委員會。
Iyengar、Srivastava、Meunier 和 Ajayan 表示有興趣為其方法申請知識產權，并且已在美國提交了臨時專利申請。
信息來源：Carbontech
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