理解石墨烯與鍺的異同

理解石墨烯與鍺的異同

自從首次合成石墨烯開啟了這項研究的序幕，人們已經(jīng)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。碳以其迷人的化學(xué)鍵系列而聞名；同素異形體和富勒烯，包括合成了巴克球C-60，但很快發(fā)現(xiàn)其他元素也可以形成二維同素異形體，如硅烯和錫，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：盡管最初由于它被認(rèn)為是一種不良的導(dǎo)體而在工業(yè)上沒有被廣泛使用，但是它作為半導(dǎo)體的有用的光學(xué)和電子特性在20世紀(jì)40年代和50年代得到了承認(rèn)。早期的晶體管通常是由鍺制成的，盡管一旦它變得容易使用，仍然有很多。在合成純度合適的硅時，鍺的吸引力降低。

2014年，在曼徹斯特大學(xué)首次分離石墨烯10年后，兩個不同的研究小組創(chuàng)造了鍺。這種材料本質(zhì)上是石墨烯的近親，由一層鍺原子組成，具有二維材料特有的六角形結(jié)構(gòu)。石墨烯在20世紀(jì)60年代首次在金屬板上研究。直到2004年才被重新發(fā)現(xiàn)、分離和描述。

這種鍺是由歐洲的一個團(tuán)隊利用分子束外延在金襯底上合成的，而中國的一個團(tuán)隊使用鉑。在這個過程中，一個單原子在極低的壓力和高溫下沉積在基體上。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。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每秒15000平方厘米，是硅的10倍左右，雖然鍺還沒有得到不同程度的細(xì)化，但理論計算表明，固有的流動性可以得到理想的材料。流動性只受聲子的限制，或從晶格散射的振動甚至高于石墨烯。自旋軌道鍺。

鍺和石墨烯的區(qū)別主要是由于它們的六角形結(jié)構(gòu)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，后者僅限于一個平面。由此產(chǎn)生的材料支撐電子晶體管有著重要的電子差異。2012年發(fā)表在《納米快報》上的一篇論文計算出，在合成鍺之前，如果施加垂直電場，鍺上的帶隙就可以打開，這意味著它可以成為場效應(yīng)晶體管的理想材料；是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的重要組成部分。S.

此外，在半導(dǎo)體中鍺與硅一起使用的事實表明，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，這意味著存在不同程度的電子自旋。鍺的自旋軌道間隙為24兆電子伏（毫電子伏），而石墨烯的自旋軌道間隙小于0.05兆電子伏。這意味著鍺是一種二維材料可能在量子計算的新興領(lǐng)域有實際的應(yīng)用。構(gòu)建量子計算機所需要的關(guān)鍵組件之一是獲得量子態(tài)，它可以用來以量子比特的形式編碼信息。電子中的自旋是一種經(jīng)典的量子態(tài)，已經(jīng)被很好地記錄下來，并且可以被測量和操縱。

這是一種新的電子學(xué)形式——自旋電子學(xué)——鍺很可能是這些研究中有用的材料。自旋軌道隙也吸引了量子凝聚態(tài)物理學(xué)家的興趣：它可以作為實驗材料，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)不僅具有激發(fā)了理論物理學(xué)家和實驗物理學(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。

它們與一種新的物質(zhì)相——拓?fù)浣^緣體有關(guān)。你可以把拓?fù)浣^緣體描述為內(nèi)部絕緣體和外部導(dǎo)電材料。散裝材料不導(dǎo)電，但它們在外部超導(dǎo)！合成這樣的材料可能會產(chǎn)生新的電子產(chǎn)品：有人認(rèn)為納米級的導(dǎo)線可以由拓?fù)浣^緣體制成，這可能會導(dǎo)致非?？旌托〉碾娐罚宰屛覀儽３帜柖?，提高處理速度和密度的計算能力，這是我們可以在電路中得到的。

此外，二維拓?fù)浣^緣體具有重要的自旋電子學(xué)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很低，預(yù)計石墨烯在不久的將來將無法觀察到這種狀態(tài)，而且可能不會在室溫下觀察到這種狀態(tài)。外應(yīng)變能引起鍺帶隙的變化，這是由于與石墨烯相比，鍺的雙晶格結(jié)構(gòu)引起的，考慮到鍺的帶隙可以通過這種應(yīng)變來調(diào)節(jié)，因此可以用作太陽能電池板材料或LED應(yīng)用，這對上述納米電子應(yīng)用也很有用。

石墨烯和鍺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)；你可以用多種方法制備石墨烯，包括簡單地剝離石墨等材料，而不是緩慢而昂貴的分子束外延。此外，碳是一種比鍺更豐富的物質(zhì)。

然而，同時，Gemene具有許多使石墨烯成為如此令人興奮的材料的特性，并且增加了一些對自旋電子學(xué)、量子計算和半導(dǎo)體器件的潛在應(yīng)用具有重要意義的特性，并且考慮到由San合成二維材料新特性的趨勢越來越大。在范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中縮小不同的二維層，這兩種材料最終可能結(jié)合成具有更廣泛應(yīng)用范圍的材料。

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