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(kāi)了這項(xiàng)研究的序幕，人們就意識(shí)到尋找新的二維材料的潛在優(yōu)勢(shì)。石墨烯是一層碳原子，以簡(jiǎn)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(shí)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(lèi)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(méi)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(gè)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(gè)歐洲團(tuán)隊(duì)通過(guò)分子束外延技術(shù)在金基底上合成的，而一個(gè)中國(guó)團(tuán)隊(duì)使用的是鉑。在這個(gè)過(guò)程中，單個(gè)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(cè)量電子對(duì)外加電場(chǎng)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(guò)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(dòng)性,可以得到一個(gè)“完美”的材料,流動(dòng)性是有限的只有聲子,或從晶格的振動(dòng)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(gè)垂直分離的子晶格組成，不像石墨烯晶格被限制在一個(gè)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(chǎng)，鍺烯上的帶隙可以打開(kāi)——這意味著它可以作為場(chǎng)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(gè)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(jí)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(cè)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(guān)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(jiǎng)。

它們與物質(zhì)的一個(gè)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(huì)帶來(lái)新的電子產(chǎn)品:有人提出，納米尺度的電線(xiàn)可以由拓?fù)浣^緣體制成。這可能會(huì)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(lèi)具有重要的自旋電子性質(zhì)。石墨烯最初被預(yù)測(cè)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(guān)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(duì)比的雙晶格結(jié)構(gòu)?？紤]到可以通過(guò)這種應(yīng)變調(diào)整鍺的帶隙，它可能會(huì)作為太陽(yáng)能電池板材料或led應(yīng)用;這對(duì)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(huì)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(lái)制備石墨烯，包括像石墨這樣的材料的簡(jiǎn)單剝落，而不是緩慢而昂貴地通過(guò)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(shí)，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(duì)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(guò)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(lái)合成二維材料的新特性的趨勢(shì)越來(lái)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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