通向3D材料革命的大门：研究人员为石墨注入石墨烯元素
2023-07-28 10:00:39   来源： ()　   评论：0 点击：

华盛顿大学的一项突破性研究表明，石墨这种三维材料可以被操纵，以具备其二维对应物石墨烯的特性。这为改造其他块体材料使其具有类似二维材料的特性铺平了道路，从而有可能拓展技术创新的领域。

多年来，科学家们一直在探索由单层原子组成的二维材料的潜力，以彻底改变计算、通信和能源等各个领域。在这些材料中，电子等亚原子粒子只能在二维空间运动，这导致了电子的异常行为和所谓的“奇异”特性。这些特性包括奇异的磁性、超导性和电子间的其他集体行为——所有这些都可能在计算、通信、能源和其他领域大有用武之地。

传统上，研究人员认为这些奇异的二维特性只存在于单层薄片或短堆栈中，而这些材料的所谓“块体”版本则由于其复杂的三维原子结构而表现出不同的行为。

与上述假设相反，华盛顿大学领导的研究小组于7月19日在《自然》杂志上发表的一项突破性研究表明，有可能赋予石墨这种日常铅笔中的大块三维材料以类似于其二维对应物石墨烯的特性。这一突破不仅出乎意料，研究小组还认为其方法可用于测试类似类型的块状材料是否也能具有类似二维的特性。如果是这样，二维薄片将不会是科学家们推动技术革命的唯一来源，块状三维材料可能同样有用。

“将单层堆叠在单层上——或将两层堆叠在两层上——几年来一直是揭示二维材料新物理特性的重点。在这些实验方法中，出现了许多有趣的特性，”资深作者、物理学和材料科学与工程学助理教授马修·扬科维茨（Matthew Yankowitz）说，“但是，如果不断增加层数会发生什么呢？最终它会停止，对吗？这就是直觉的暗示。但在这种情况下，直觉是错误的。在三维材料中混合二维特性是可能的。”

由大阪大学和日本国立材料科学研究所的学者组成的研究小组采用了一种常用的方法来处理二维材料。他们以很小的扭曲角度将二维薄片堆叠在一起。研究人员将单层石墨烯置于薄的块状石墨晶体之上，并在两者之间引入了约1度的扭曲角。他们不仅在扭曲的界面上，而且在块状石墨内部发现了新颖的、意想不到的电学特性。

扬科维茨解释说，扭曲角对于产生这些特性至关重要。二维薄片（如两片石墨烯）之间的扭曲角度会产生所谓的摩尔纹，从而改变电子等带电粒子的流动，诱导材料产生奇特的性质。

在石墨和石墨烯的实验中，扭转角度也诱发了摩尔纹，产生了令人惊讶的结果。仅在石墨烯-石墨界面引入的扭曲改变了整个石墨材料的电特性。当施加磁场时，石墨晶体深处的电子表现出与扭曲界面类似的异常特性。从本质上讲，单个扭曲的石墨烯-石墨界面变得与块状石墨的其他部分密不可分地混合在一起。

“虽然我们只是在石墨表面产生摩尔纹，但由此产生的特性却渗透到整个晶体中，”共同第一作者、华盛顿大学物理学博士后研究员达肯·沃特斯（Dacen Waters）说。

对于二维薄片来说，摩尔纹产生的特性可用于量子计算和其他应用。在三维材料中诱导类似的现象，将为研究不寻常和奇异的物质状态以及如何将它们带出实验室、带入我们的日常生活提供新的方法。

共同第一作者、华盛顿大学物理学博士生埃利斯·汤普森（Ellis Thompson）说：“整个晶体都呈现出这种二维状态。这是影响块体材料中电子行为的一种全新方式。”

扬科维茨和他的团队认为，他们在石墨烯和块状石墨晶体之间产生扭转角的方法可以用来制造其姊妹材料的2D-3D混合体，包括二碲化钨和五碲化锆。这将开启一种新方法，利用单一二维界面重新设计传统块体材料的特性。

扬科维茨说：“这种方法可以成为研究具有混合二维和三维特性的材料中令人兴奋的新物理现象的一个真正丰富的乐园。”