认识一下德曼元素,石墨烯的新型二维竞争对手

它是一种单原子厚的锗原子阵列,有望制造超高速晶体管。

Guy Le Lay 表示,他正在沿着元素周期表往下探索。2012 年,他是一位研究团队的高级科学家,该团队首次证明成功创造了硅烯,这是一种单原子厚的硅原子阵列。硅烯相当于石墨烯的硅版本,而石墨烯是由碳原子组成的平面阵列,在超高速计算领域具有多种潜在应用。碰巧,硅也位于元素周期表中碳的正下方。现在,Le Lay 和他的同事们正在发表证据,表明他们已经制造出了德国烯,这是一种由锗原子单层组成的材料,锗是元素周期表中紧随其后的元素。

Le Lay,法国艾克斯-马赛大学纳米技术名誉教授,的这项报告发表在一个月后,当时一个中国团队率先成功制造了德国烯。巧合的发表突显了科学家在制造二维材料方面所付出的努力。

研究二维材料的科学家希望有一天它们能够被应用于下一代晶体管甚至量子计算机,这两种技术都有望克服硅的物理限制,使未来的计算机运行得更快。预计硅烯和德国烯将像石墨烯一样具有独特的电学特性。例如,预计电子在它们的表面上会以惊人的速度移动,就像在石墨烯上一样。

M. E. Dávila 等人,《新物理学杂志》,2014 年

很难说哪种材料最终会应用于我们未来的计算机。是石墨烯?德国烯?还是 Le Lay 下一步想制造的锡原子二维阵列——锡烯?(是的,锡是锗下面的下一个元素。)每种二维材料都有其自身的优缺点。德国烯和硅烯具有天然的带隙,这是晶体管必需的特性,而石墨烯则没有。然而,石墨烯已经被研究了更长时间,因此工程师们在制造方面更有经验。他们已经尝试使用石墨烯制造晶体管,并采取了变通方法来解决其带隙缺失的问题。

与此同时,仅仅制造出德国烯和硅烯本身就是一项壮举。石墨烯的发现和表征是一项令人兴奋且重要的科学成就,但至少石墨烯易于制造。碳原子通常会自然地形成石墨烯、硅烯和德国烯所特有的六边形“蜂窝状”排列。另一方面,硅和锗原子不喜欢以这种方式排列。Le Lay 说,在最近的一些理论工作之前,化学家们认为硅烯和德国烯根本无法存在。

为了迫使硅原子和锗原子以扁平的六边形结合在一起,工程师们将这些元素加热成蒸汽,然后将蒸汽冷凝到金属表面。对于德国烯,中国团队将他们的锗蒸气冷凝到铂基底上,而 Le Lay 的团队则使用了金基底。之后,为了使这些材料具有实用性,研究人员需要能够将材料从其基底上分离出来——就像贴纸除非能从背面剥离否则就没有用一样。这一步仍在研究中,所以你可以想象,在这些石墨烯的“表亲”能够出现在任何实际应用中之前,还需要很多年。

“我不想过度宣传,”Le Lay 在我们的谈话中多次说道。但他认为,研究小组能够制造出一种自然界不存在的材料,这确实意义非凡。“这种材料并不存在——在地球上不存在;在宇宙中不存在;可能,在多重宇宙中也不存在,”他开玩笑说。“上帝忘了创造它。”

 

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Francie Diep 是一位居住在加利福尼亚州圣巴巴拉的科学记者。除了《Popular Science》,她的作品还发表在《Scientific American》、《Smithsonian》及其他刊物上。她对基因、细胞、机器人、档案馆以及互联网上的奇特内容着迷。

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