从石墨烯和玻璃中诞生新型半导体

发表在 Advanced Materials 上的一项研究报告称，由莱斯大学材料科学家领导的一个国际团队通过化学方法将石墨烯和硅玻璃结合成一种单一、稳定的化合物，成功合成了一种二维混合材料–glaphene 。

未来技术中最有前途的一些材料是由原子薄层组成的。例如，石墨烯是由碳原子以六角形晶格排列而成的单层材料，以其卓越的强度和导电性而闻名。

尽管已经发现了数百种二维材料，但将它们组合成全新的材料仍然是一项挑战。大多数工作都是把这些层像卡片一样堆叠起来，但这些层之间的相互作用往往很微弱。

层与层之间并不只是静止的，电子会移动并形成新的相互作用和振动状态，从而产生两种材料本身都不具备的特性。

研究第一作者、莱斯大学博士生 Sathvik Iyengar

更重要的是，Iyengar 指出这项新技术可以应用于多种二维材料，从而设计出用于量子设备、光子学和下一代电子学的混合材料。

Iyengar补充说：”它为结合全新类别的二维材料打开了大门，例如金属与绝缘体或磁体与半导体，从而从根本上创造出定制材料。

研究小组开发了一种两步单一反应方法，从含有硅和碳的液态前体中生长出 glaphene。通过在加热过程中仔细调整氧气含量，他们首先形成了石墨烯，然后改变条件以促进二氧化硅层的形成。

为了实现这一目标，研究人员与印度巴纳拉斯印度大学客座教授 Anchal Srivastava 合作，历时数月建立了一套定制的高温、低压装置。

Iyengar 说：”正是这种装置使合成成为可能。这种材料是一种真正的混合材料，具有新的电子和结构特性。

合成这种材料后，研究小组与苏塞克斯大学的 Manoj Tripathi 和 Alan Dalton 合作验证其结构。数据中一个意想不到的结果首次暗示了 glaphene 是一种新材料。

研究人员利用拉曼光谱–一种通过分析激光的偏移来检测原子振动特征的技术–观察到了与石墨烯或二氧化硅不匹配的信号。这些不寻常的振动特性表明，各层之间的相互作用比预期的更为强烈。

在典型的二维堆栈中，各层通过微弱的范德华力固定在一起，类似于磁铁粘在冰箱上。相比之下，glaphene 的各层则表现出更强的相互作用，使电子能够在它们之间移动并产生新的行为。

为了进一步研究，Iyengar 咨询了巴西光谱学专家 Marcos Pimenta。结果表明，观察到的异常现象只是一个假象，这也提醒我们，即使是可重复的结果，也必须谨慎解读。

为了更好地理解键合层在原子层面上的行为，研究人员与宾夕法尼亚州立大学的 Vincent Meunier 进行了合作。通过比较实验结果和量子模拟，他们发现石墨烯和二氧化硅层在界面上形成了部分键，使得电子可以跨层共享。

这种混合键改变了结构和功能，有效地将金属和绝缘材料转化为一种新型半导体。

“这不是一个实验室能做到的。这项研究是一项跨大陆的努力，目的是创造和理解一种自然界自身无法制造的材料，”Iyengar 说道。

Iyengar最近作为日本学术振兴会（JSPS）的研究员在日本逗留了一年，并且是 Quad Fellowship 的首届获得者–该计划由美国、印度、澳大利亚和日本政府共同设立，旨在支持在科学、政策和外交交叉领域工作的早期职业科学家。

莱斯大学本杰明-M.和玛丽-格林伍德-安德森工程学教授、材料科学和纳米工程学教授普利克尔-阿贾扬强调了这项工作的广泛意义。他说，虽然 glaphene 的发现本身很重要，但真正令人兴奋的是，它有可能通过化学方法将根本不同的二维材料结合在一起。

Iyengar 将指导原则归功于他的导师，这也反映在团队的研究方法中。

“自从我开始攻读博士学位以来，我的导师就一直鼓励我探索混合别人犹豫不决的想法。阿贾扬教授也说过，真正的创新发生在犹豫不决的路口，这个项目就是最好的证明，”他引用阿贾扬的话说，阿贾扬和穆尼耶都是这项研究的通讯作者。

这项研究获得了多方资助：苏塞克斯战略发展基金、美国国家科学基金会研究生研究奖学金计划（2236422）、空军科学研究办公室资助的莱斯州-宾夕法尼亚州合作项目（FA9550-23-1-0447）、Quad奖学金、碳纳米技术研究所、米纳斯吉拉斯州研究基金以及巴西国家科技发展委员会。

Iyengar、Srivastava、Meunier 和 Ajayan 表示有兴趣为他们的方法申请知识产权，并已在美国提交了临时专利申请。

参考文献

Iyengar, S. A., et al. (2025) Glaphene: A Hybridization of 2D Silica Glass and Graphene. Advanced Materials. doi.org/10.1002/adma.202419136.