材料的玩具箱 不只有石墨烯

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材料的玩具箱 不只有石墨烯
                               
                                你也许听说过石墨烯，这种碳薄片只有一个原子那么厚，它不仅是材料科学界的研究热点，也被诸多媒体炒得火热。报道称，石墨烯这种材料厚度超薄、强度超高、导电性及柔性也极为优越。你可能都觉得它简直是人类末日的救星。
事实并非如此夸张。在当今的纳电子研究领域，除石墨烯外，也不乏有其他新兴材料。我正在研究的二硫化钼就是其中之一，它也是一种单层材料，其性质之有趣毫不逊于石墨烯。二硫化钼对可见光的吸收能力五倍于石墨烯，因而可用于光传感器及太阳能电池。另外，当今科学家也在不断提出新理念、合成新材料，例如硼墨烯（borophene，硼原子构成的单层材料，在理论上机械强度高于石墨烯）等。



织造二维材料。Peter Byrley, Author provided

已开发和正在研发中的种种新材料将像乐高积木一般筑起电子学的未来。我们可以通过多种材料的不同层叠组合方式充分发挥各自的优良性质。基于这些复合结构的新型电子器件将会比我们当前使用的产品更快速、智能和廉价，在不同环境中的耐用性也更良好。

寻找能隙
被过誉的石墨烯并不是万能材料，一个重要原因就是并不能简单地通过堆叠石墨烯获得目标性能。从电学性质上讲，石墨烯没有“能隙”（更专业的术语叫“带隙”）。



能隙示意。Peter Byrley

金属的导电性无视环境影响。然而非金属材料须从外界获取一定量的能量，使电子越过能隙，从而实现导电。这部分能量的大小就叫做能隙。能隙是决定电子设备所需能量的因素之一，我们须要通过加热或外加电压使设备导电，想要让设备启动，必须输入足够的启动能量。
有些材料的能隙相当大，几乎无法通过提供能量使其导电。这些材料被称为绝缘体（例如玻璃）。有些材料能隙极小或没有能隙，这些材料就是导体（例如铜）。所以，我们用导电性良好的铜做电线，用绝缘的塑料做电线外皮。
能隙介于导体与绝缘体之间的其他材料被称为半导体（例如硅）。理论上讲，在绝对零度下，半导体就是绝缘体，因为没有热量让电子越过能隙。室温下，环境中的热量刚刚能使一部分电子（“半”导体的名字由此而来）越过较小的能隙，使半导体进入可导电状态。



金属（左）、半导体（中）及绝缘体（右）能隙对比图。Peter Byrley


石墨烯的能隙
石墨烯其实是一种“半金属”，它没有能隙，这就意味着它始终能够导电，无法改变。
这是个问题——电子设备要利用电流进行通讯，计算机的基本信号是代表0和1的通路和断路，如果计算机元件都用石墨烯制成，整个系统将一直处于通路状态。石墨烯没有能隙，从而无法产生0，计算机就只能一直发出一连串1的信号。半导体与之不同的地方在于，其能隙可使一部分电子传导电流，但是也大到足够区分出通路断路的状态。



想象下石墨烯材质的电脑会是什么样子。Woman with computer via shutterstock.com


寻找合适的材料
石墨烯不能用，还有别的办法。研究人员主要有三种对策：
1. 使用类似于石墨烯，但具有足够能隙的材料，并设法提高其导电性。
2. 对石墨烯进行改良，制造能隙。
3. 将石墨烯与其他材料结合，制备性能优良的复合材料。
许多正在研发中的单层材料都有足够的能隙。例如近年来研究颇多的二硫化钼，它有潜力替代传统硅材料，且可应用于光探测和气体探测。这些新材料的唯一缺点在于，它们的导电性不如石墨烯良好，虽然石墨烯会保持导电状态。其他材料可以实现断路，但在通路状态下的导电性比石墨烯差。在小型器件中，二硫化钼的导电性仅为石墨烯的1/15到1/10。包括我在内的研究人员正在寻找改良这些材料导电性的方法。

含石墨烯复合材料
奇怪的是，石墨烯经弯折、变为纳米带、掺杂其他物质或叠放两层石墨烯后，即可产生能隙。但是，这些加工要么会降低其导电性，要么会限制其使用范围。
为了消除这些缺陷，我们可以将石墨烯与其他材料结合。这样还可以使它们性能互补，发挥最优功效。例如，我们制造的电子器件中可以同时包含有开关功能的材料（如二硫化钼）和石墨烯，以保证通路时导电性良好。新型太阳能电池将基于该理念运作。
举例而言，复合结构可以用于严酷环境下的太阳能电池板：我们可以在高效吸收太阳能的材料上，铺设一层透明的保护薄层，从而将电能高效输送至临近电池。其他中间层可以使用具有气体探测功能的材料，探测甲烷、二氧化碳等。
研究人员正致力于研究不同用途复合材料的最佳搭配方案。发现最佳方案的人，将获得数不清的电子产品改良专利。
然而事实情况是，我们并不知道未来的电子器件会是什么样子。新的积木片正不断问世，我们组合积木的方式也日新月异。唯一可以确定的是，微纳电子设备的内部结构会与今天的样子大不相同。

本文观点仅代表作者，不代表《科学美国人》。
翻译：张帅琰； 审校：杨玉洁

原文链接：
https://theconversation.com/graphene-isnt-the-only-lego-in-the-materials-science-toy-box-58563