如何区分铅烯、硅烯和石墨烯?优缺点是什么?

日期:2019-06-24 / 人气: / 编辑:jutan / 来源:互联网

石墨烯是碳原子构成的单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质材料。硅烯是最薄的二维形式的硅,而铅烯具有铅原子构成的二维晶格结构。因为它们具有可能对物理学和工程学的未来产生重大影响的重要特性,所以研究人员努力地研究他们。

 
什么是石墨烯?
 
石墨烯是一种二维的单层碳原子晶格,是其他石墨材料的基本材料。一毫米石墨有大约三百万层石墨烯。Konstantin Novoselov和Andre Geim在2004年发现,石墨烯属于一种称为二维(2D)材料的新型材料。
 
特征
 
这种“神奇的材料”是人类已知的最强材料。石墨烯比橡胶更有弹性,比铝更轻(1平方米重约0.77mg),比金刚石和钢更硬(在相同密度和抗拉强度下,石墨烯比结构钢强100至300倍)。石墨烯具有其他显著特征:
 
石墨烯是完全不透水的(对气体也是如此);它非常薄:比人发薄10万倍;它是室温下最好的导热体;它有一个2630 m的比表面积,3克可以覆盖一个足球场;它的导热性是金刚石的两倍,并且防水;它是最著名的导体,比铜强10倍以上;它是纯碳且自然存在(因此是环保的);它的电迁移率比硅快100倍;它具有光学透明性,可吸收2.3%的反射光。
 
 
石墨烯是最有前途的纳米材料之一。其卓越的性能使其在生物设备、电子设备到传感器和光学中广泛应用。它也是目前研究最多的材料之一,可替代像硅这样的材料。然而,这种超级材料的大批量生产仍然很昂贵,这限制了它在大规模生产产品中的使用。因此,石墨烯还没有在消费品中得到应用。
 
硅烯
 
硅烯相当于石墨烯的硅,是最薄的二维形式的硅。它是硅的同素异形体,就像石墨烯是碳的同素异形体一样,并且仅由硅原子组成(单原子)。与石墨烯等其他二维材料不同,硅烯并不是严格意义上的平面材料:它具有弯曲的蜂窝表面——原子排列在主“面板”的上方和下方,从而形成带隙。
 
硅烯的第一个结构是在银晶体上观察到的,它们具有类似石墨烯的六角形,但并不完全平坦。在Aix Marseille大学和柏林技术大学的联合研究中,研究人员通过将硅蒸气冷凝在银上,创造出了分离的硅烯。
 
 
与其他二维材料相比,硅烯没有得到广泛的研究和生产,因为它比石墨烯等二维材料更难制造:它的三维形态是类似金刚石晶格。硅烯必须从一开始就合成,不能像石墨烯那样“拉出”一堆紧密固定的二维层:硅往往会形成三维结构,而二维硅往往会弯曲。因此,硅氧烷不能通过剥离产生,而只能通过外延生长生成。自2012年以来,在铱、银、二硫化钼等多种基体表面合成了硅烯单分子层。
 
硅烯与石墨烯
 
与石墨烯不同,硅烯不太依赖于π电子,因此不依赖于π—堆积机制;硅烯不完全是平面的。它具有像石墨烯一样的六角形原子图案,但由于它的“椅形”结构,这些六角形环有褶皱弯曲;硅烯具有带隙,使其适用于新型晶体管。另一方面,石墨烯是半金属,没有任何带隙;与石墨烯相比,硅烯更便于集成到电子设备中,特别是对于更小和更便宜的电子设备。这是因为它可以很容易地集成到硅芯片生产线中。
 
特征
 
通过在放热反应中加入氢,可以将硅烯转化为硅烷;其电子特性与石墨烯相似,它与所观察到的狄拉克电子色散相同;它和石墨烯一样坚固,可用于锂离子电池的阳极。硅烯的容量将是阳极的两倍,其强度可防止其在充放电过程中发生变化;硅烯具有较强的自旋轨道耦合,可以在实验温度下产生量子自旋霍尔效应。
 
在很长一段时间内,硅烯仅限于推测。然而,2011年进行的密度泛函理论(DFT)计算表明,硅烯将适用于FET(场效应晶体管)应用。其能带隙可以更精细地调整,使场效应晶体管在室温下更好地工作。实际上,调整二位狄拉克点的可能性意味着硅烯可以与现有的硅技术一起使用,因为它具有新颖的性质,主要是各种量子自旋效应。
 
硅烯具有蜂窝状屈曲晶格结构,利于自旋,是一种适宜的铁磁性材料。硅自旋电子学是一个广泛的研究领域,在自旋滤波器、自旋场效应晶体管和气体传感器等领域具有潜在的应用前景。然而,硅烯具有高反应活性,这限制了其使用,也使它更难制造独立的硅烯片。在大多数情况下,硅烯将与交替的金属单层堆叠作为基底层的一部分。
 
 
铅烯显微照片。图片由名古屋大学提供。
铅烯
 
铅烯是一种二维蜂窝状铅原子片,就像硅烯一样,它有一个弯曲的蜂窝结构和一个大的带隙(-400 meV)。由Yuji Yuhara教授带领的名古屋大学的研究人员首次让纯理论性的铅基二维蜂窝状材料铅烯成为现实,他们的研究最初发表于5月初的《先进材料杂志》 。 铅烯是石墨烯的表亲——它具有类似的结构,可以广泛应用于拓扑绝缘体。在以往铅烯的电子结构和拓扑特性的研究中,研究人员发现,铅烯通过电子掺杂可以成为具有大带隙(-200 meV)的拓扑绝缘体。
 
差异
 
铅烯应该具有量子自旋霍尔效应,这甚至在室温以上也是可能的。这在石墨烯这样的二维材料中是无法实现的。因此,找到一种廉价而可靠的合成铅烯的方法至关重要;由第14族元素构成的二维材料铅烯具有最大的自旋轨道相互作用。这使其成为一个强大的二维拓扑绝缘体。
 
铅烯是如何制造的?
 
铅烯是由一种超薄铅在钯上退火而成。退火是一种加热和缓慢冷却物质以去除内应力的方法。扫描隧道显微镜(STM)显示,通过退火,研究人员得到了一种具有独特的蜂窝结构的二维单层的表面材料。在这个实验中,研究人员发现了一种副产品:钯铅(Pd-Pb)合金薄膜,其结构类似于Denis Weaire在1993年设计的复杂的三维威尔—费伦结构。威尔—费伦结构有助于解决“凯文问题”。2008年,北京奥运会比赛场馆国家游泳中心“水立方”的设计灵感就来源于“威尔—费伦”结构。
 
铅烯为何如此重要?
 
铅烯除了是像石墨烯和硅质这样的二维材料之外,还有自旋,因为它是理想的拓扑绝缘体,并且在这三种材料中具有最大的自旋轨道相互作用与最大的带隙。这使得铅烯成为一个强大的二维拓扑绝缘体,其中量子自旋霍尔效应可能已经发生。铅烯可以彻底改变拓扑绝缘体的发展。根据Yuhara的说法,铅烯的到来是一个好消息,与它有关的应用开发将掀起新的热潮。