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如何區分鉛烯、硅烯和石墨烯?優缺點是什么

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如何區分鉛烯、硅烯和石墨烯?優缺點是什么

發布日期:2019-07-15 作者: 點擊:

  石墨烯是碳原子構成的單層二維蜂窩狀晶格結構的一種碳質材料。硅烯是最薄的二維形式的硅,而鉛烯具有鉛原子構成的二維晶格結構。因為它們具有可能對物理學和工程學的未來產生重大影響的重要特性,所以研究人員努力地研究他們。


  什么是石墨烯?


  石墨烯是一種二維的單層碳原子晶格,是其他石墨材料的基本材料。一毫米石墨有大約三百萬層石墨烯。Konstantin Novoselov和Andre Geim在2004年發現,石墨烯屬于一種稱為二維(2D)材料的新型材料。


  特征


  這種“神奇的材料”是人類已知的最強材料。石墨烯比橡膠更有彈性,比鋁更輕(1平方米重約0.77mg),比金剛石和鋼更硬(在相同密度和抗拉強度下,石墨烯比結構鋼強100至300倍)。石墨烯具有其他顯著特征:


  石墨烯是完全不透水的(對氣體也是如此);它非常薄:比人發薄10萬倍;它是室溫下最好的導熱體;它有一個2630 m的比表面積,3克可以覆蓋一個足球場;它的導熱性是金剛石的兩倍,并且防水;它是最著名的導體,比銅強10倍以上;它是純碳且自然存在(因此是環保的);它的電遷移率比硅快100倍;它具有光學透明性,可吸收2.3%的反射光。


  內蒙古石墨烯潤滑油是最有前途的納米材料之一。其卓越的性能使其在生物設備、電子設備到傳感器和光學中廣泛應用。它也是目前研究最多的材料之一,可替代像硅這樣的材料。然而,這種超級材料的大批量生產仍然很昂貴,這限制了它在大規模生產產品中的使用。因此,石墨烯還沒有在消費品中得到應用。

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  硅烯


  硅烯相當于石墨烯的硅,是最薄的二維形式的硅。它是硅的同素異形體,就像石墨烯是碳的同素異形體一樣,并且僅由硅原子組成(單原子)。與石墨烯等其他二維材料不同,硅烯并不是嚴格意義上的平面材料:它具有彎曲的蜂窩表面——原子排列在主“面板”的上方和下方,從而形成帶隙。


  硅烯的第一個結構是在銀晶體上觀察到的,它們具有類似石墨烯的六角形,但并不完全平坦。在Aix Marseille大學和柏林技術大學的聯合研究中,研究人員通過將硅蒸氣冷凝在銀上,創造出了分離的硅烯。


  與其他二維材料相比,硅烯沒有得到廣泛的研究和生產,因為它比石墨烯等二維材料更難制造:它的三維形態是類似金剛石晶格。硅烯必須從一開始就合成,不能像石墨烯那樣“拉出”一堆緊密固定的二維層:硅往往會形成三維結構,而二維硅往往會彎曲。因此,硅氧烷不能通過剝離產生,而只能通過外延生長生成。自2012年以來,在銥、銀、二硫化鉬等多種基體表面合成了硅烯單分子層。


  硅烯與石墨烯


  與石墨烯不同,硅烯不太依賴于π電子,因此不依賴于π—堆積機制;硅烯不完全是平面的。它具有像石墨烯一樣的六角形原子圖案,但由于它的“椅形”結構,這些六角形環有褶皺彎曲;硅烯具有帶隙,使其適用于新型晶體管。另一方面,石墨烯是半金屬,沒有任何帶隙;與石墨烯相比,硅烯更便于集成到電子設備中,特別是對于更小和更便宜的電子設備。這是因為它可以很容易地集成到硅芯片生產線中。


  特征


  通過在放熱反應中加入氫,可以將硅烯轉化為硅烷;其電子特性與石墨烯相似,它與所觀察到的狄拉克電子色散相同;它和石墨烯一樣堅固,可用于鋰離子電池的陽極。硅烯的容量將是陽極的兩倍,其強度可防止其在充放電過程中發生變化;硅烯具有較強的自旋軌道耦合,可以在實驗溫度下產生量子自旋霍爾效應。


  在很長一段時間內,硅烯僅限于推測。然而,2011年進行的密度泛函理論(DFT)計算表明,硅烯將適用于FET(場效應晶體管)應用。其能帶隙可以更精細地調整,使場效應晶體管在室溫下更好地工作。實際上,調整二位狄拉克點的可能性意味著硅烯可以與現有的硅技術一起使用,因為它具有新穎的性質,主要是各種量子自旋效應。


  硅烯具有蜂窩狀屈曲晶格結構,利于自旋,是一種適宜的鐵磁性材料。硅自旋電子學是一個廣泛的研究領域,在自旋濾波器、自旋場效應晶體管和氣體傳感器等領域具有潛在的應用前景。然而,硅烯具有高反應活性,這限制了其使用,也使它更難制造獨立的硅烯片。在大多數情況下,硅烯將與交替的金屬單層堆疊作為基底層的一部分。


  鉛烯


  鉛烯是一種二維蜂窩狀鉛原子片,就像硅烯一樣,它有一個彎曲的蜂窩結構和一個大的帶隙(-400 meV)。由Yuji Yuhara教授帶領的名古屋大學的研究人員首次讓純理論性的鉛基二維蜂窩狀材料鉛烯成為現實,他們的研究最初發表于5月初的《先進材料雜志》 。 鉛烯是石墨烯的表親——它具有類似的結構,可以廣泛應用于拓撲絕緣體。在以往鉛烯的電子結構和拓撲特性的研究中,研究人員發現,鉛烯通過電子摻雜可以成為具有大帶隙(-200 meV)的拓撲絕緣體。


  差異


  鉛烯應該具有量子自旋霍爾效應,這甚至在室溫以上也是可能的。這在石墨烯這樣的二維材料中是無法實現的。因此,找到一種廉價而可靠的合成鉛烯的方法至關重要;由第14族元素構成的二維材料鉛烯具有最大的自旋軌道相互作用。這使其成為一個強大的二維拓撲絕緣體。


  鉛烯是如何制造的?


  鉛烯是由一種超薄鉛在鈀上退火而成。退火是一種加熱和緩慢冷卻物質以去除內應力的方法。掃描隧道顯微鏡(STM)顯示,通過退火,研究人員得到了一種具有獨特的蜂窩結構的二維單層的表面材料。在這個實驗中,研究人員發現了一種副產品:鈀鉛(Pd-Pb)合金薄膜,其結構類似于Denis Weaire在1993年設計的復雜的三維威爾—費倫結構。威爾—費倫結構有助于解決“凱文問題”。2008年,北京奧運會比賽場館國家游泳中心“水立方”的設計靈感就來源于“威爾—費倫”結構。


  鉛烯為何如此重要?


  鉛烯除了是像石墨烯和硅質這樣的二維材料之外,還有自旋,因為它是理想的拓撲絕緣體,并且在這三種材料中具有最大的自旋軌道相互作用與最大的帶隙。這使得鉛烯成為一個強大的二維拓撲絕緣體,其中量子自旋霍爾效應可能已經發生。鉛烯可以徹底改變拓撲絕緣體的發展。根據Yuhara的說法,鉛烯的到來是一個好消息,與它有關的應用開發將掀起新的熱潮。


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