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硅树脂挑战石墨烯 单原子材料应用“杀出”新宠(图)
作者:日照科普网  点击次数:1722  发布时间:2012-04-18 00:00:00

 

图为硅树脂模型

  自从2004年科学家们发现石墨烯以来,一股研究石墨烯的浪潮席卷全球。石墨烯是只有一个碳原子厚度的二维材料,它不仅是已知材料中最薄的一 种,还非常牢固坚硬,而且导电性能极好,大多数科学家都认为石墨烯这种纳米材料能被用来制造更纤薄、速度更快的电子设备,有望彻底改变计算、电子和医药等 领域的现状。

  但是,也有科学家偏偏不让石墨烯专美。据物理学家组织网近日报道,有几个科研团队宣称,他们已经研制出了同样纤薄的、仅为一个硅原子厚的硅树脂 (silicene),而且他们认为,与石墨烯相比,硅树脂的应用潜力毫不逊色,也有助于科学家们研制出更小更快的电子设备。不过,关于谁最先合成出了硅 树脂,科学界也引发了不少的争议。

   硅树脂不逊于石墨烯

  在电子学领域,小即是快。科学家们都在绞尽脑汁让传统的基于硅的电子设备变得越来越小,但当这些设备接近单原子尺寸这一极限时,都纷纷开始出现 故障。因此,制造商们需要找到解决办法以便未来研制出运行速度更快的电子设备。他们表示,由于硅树脂和石墨烯都是二维结构,都能在单原子尺寸工作,因而硅 树脂有望成为他们的“救星”。

  美国俄亥俄州代顿市莱特州立大学物理和电子工程系主任洛克·温雷彦(音译)说:“硅树脂有望将人们带往最终的尺寸极限,因此它无比重要。”2007年,他创造出了silicene这一术语。

  温雷彦表示,与石墨烯相比,硅树脂的优势在于其拥有独特的结构。在硅树脂内,几个硅原子分布于主二维表面的上下方,而且,在上下这两个区域内的电子拥有不同的能级,施加电压可使电子越过该能隙,并让硅树脂能在“开”和“关”状态之间转变。

  这样,由硅树脂制成的电子设备能可靠地展示出晶体管(计算机的基础元件)具有的关键的开—关功能。现在,石墨烯已经抢先一步,在这一领域取得了不少突破,正以“润物细无声”的姿态,慢慢成为制造晶体管的基础元件。

  法国艾克斯马赛大学的盖伊·勒·内表示:“电子工业目前正在从以硅为主朝以碳(石墨烯)为主的方向转变,从理论上而言,转到石墨烯非常好,但也非常复杂。”

  勒·内解释说,因为目前制造电子设备的基础设施都是以硅为基础,是否全心全意“拥抱”石墨烯,让其成为日后研制超快速处理器的基础,在这一点上,电子设备的制造商们非常犹豫,而硅树脂则生逢其时,为制造商们提供了极富吸引力的应用前景。

  勒·内表示,他和同事首次合成出了硅树脂,研究论文发表在《物理评论快报》杂志上。接下来他们将研究如何用硅树脂来制造晶体管,并希望能在未来两年左右时间内研制出第一个硅树脂晶体管。

  “硅树脂之父”有争议

  尽管勒·内团队宣称他们首先合成出了硅树脂,但这一说法遭到了另外一些科研团队的驳斥。

  据报道,中国和日本的研究团队最近也宣称合成出了硅树脂,而且,早在2010年,就有一个科研团队在年末出版的《应用物理学快报》杂志上表示,他们首次合成出了硅树脂。不过,勒·内表示,2010年的研究提供的证据并没有他领导的团队提供的证据充分。

  2010年研究论文的主要作者之一、美国中佛罗里达大学专门研究硅树脂的理论物理学家阿布德卡德·卡拉表示:“勒·内想成为‘硅树脂之父’,但实际上他不是。”

  尽管卡拉团队宣称他们在2010年就已经合成出了硅树脂,但是,他们仅仅使用了一种检测方法来证明自己的结论,那就是扫描隧道显微镜(STM)拍摄的图片。扫描隧道显微镜依靠量子力学效应来提供原子层面的图像,能比普通显微镜提供更多细节。

  勒·内团队认为,这样的图像具有一定的欺骗性,2010年的研究结果并不能证明卡拉团队合成出了硅树脂。

  勒·内指出,大多数研究硅树脂的科学家都尝试在银上种植硅树脂,因为银原子和硅原子之间的相互作用并不强,尽管这一方法能使硅树脂在银基座上独立成型,但可能很难将真正的硅树脂薄片和银结构区分开来。

  勒·内研究团队的另一名领导者、德国柏林工业大学的硅树脂专家帕特里特·沃格特说:“在银的表面有些具有欺骗性的东西,银表面能模拟看似硅树脂的蜂巢表面,但是,真正的硅树脂结构看起来却并非这样。”

  不过,卡拉也反驳称,他们有足够的证据表明,他们于2010年就合成出了硅树脂。证据包括:银原子本身如何在一个角度与银基座对齐;另外,银表面本身无法形成显微镜图像揭示出的蜂巢结构。

  卡拉辩称:“扫描隧道显微镜图像当然具有欺骗性,但我们进行了非常认真的检查,因此,论文才得以被接受并发表。”


   然而,勒·内和沃格特却对卡拉团队的回答不满意。为了确保他们已经真的制造出了硅树脂,他们采用几种方法对得到的样本进行了分析。他们测量了其电性和化学性质,并将实际得到的图片同理论预测进行了比较。勒·内表示,需要多个不同的证据来源才能证明真正合成出了硅树脂。

  另外,该团队也发现,与2010年的结果相比,他们观察到的硅原子的距离与理论预测更吻合。

  卡拉认同勒·内团队在硅树脂研究领域取得了重要的进步,但他表示,勒·内团队还不足以成为“硅树脂之父”,他们才应该是。

  温雷彦并不属于卡拉团队,也不属于勒·内团队。他承认,2010年的结论和理论预测之间还存在着不少差异,因此目前还并不清楚谁最先合成出了硅树脂,而且声称合成出硅树脂的研究团队越来越多,让这一争论变得更加复杂。

  实际应用仍面临挑战

  尽管还不确定谁最先合成出了硅树脂,但研究人员对接下来的研究思路却达成了一致意见。他们表示,为了完全利用硅树脂的性能,物理学家们需要将硅 树脂种植在一个并不会像银那样导电的绝缘材料上。一旦硅树脂能被种植在绝缘体上,科学家们将更容易研制出硅树脂半导体和其他设备。

  勒·内表示,硅树脂设备可以用来显著增加处理速度,但相关研究还面临着一些比较大的挑战。他说:“从目前取得的成就到实际应用还有很长的路要走。”(记者 刘霞 综合外电)

  《科技日报》(2012-04-12 二版)

  (中国科技网) 责编:董子凡


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