石墨烯與鍺烯的相同點和不同點

石墨烯與鍺烯的相同點和不同點

自從石墨烯的首次合成揭開了這項研究的序幕，人們就意識到尋找新的二維材料的潛在優勢。石墨烯是一層碳原子，以簡單的六角形結構結合在一起。碳已經因為形成一系列迷人的化學鍵而聞名;同素異形體和富勒烯，包括C-60——“巴克球”——已經合成。但人們很快就意識到，其他元素也可以形成二維同素異形體，比如硅烯和錫的錫烯。這些原子的不同性質導致了它們的二維類似物的不同性質。 

 鍺最早是在1886年被發現的:雖然最初它并沒有在工業上得到很多應用，因為它被認為是一種很差的導電體，但到了20世紀40年代和50年代，它作為半導體的有用光學和電子特性得到了認可。早期的晶體管通常是由鍺制成的——現在仍然有很多，盡管一旦合成純度合適的硅變得更容易，鍺的吸引力就下降了。

2014年，在曼徹斯特大學首次分離石墨烯十年之后，兩個不同的研究團隊創造出了鍺烯。這種材料本質上是石墨烯的近親;它由一層鍺原子組成，具有二維材料特有的六角形結構。石墨烯最初是在20世紀60年代在金屬板上進行研究的，直到2004年才被重新發現、分離和表征;
這種鍺是由一個歐洲團隊通過分子束外延技術在金基底上合成的，而一個中國團隊使用的是鉑。在這個過程中，單個原子以非常低的壓力和高溫沉積在基板上。在許多方面，它與石墨烯具有相似的性質。它們都具有高電子遷移率的特點——這是一種測量電子對外加電場反應程度的方法。

電子遷移率是制備優良半導體材料的關鍵量之一;石墨烯的載流子遷移率超過15000平方厘米/秒，大約是硅載流子遷移率的10倍。盡管germanene尚未細化程度不盡相同,理論計算表明,內在流動性,可以得到一個“完美”的材料,流動性是有限的只有聲子,或從晶格的振動散射比graphene.spin-orbit——germanene甚至更高。

鍺烯和石墨烯之間的差異主要是由于其六角形結構的不同。石墨烯的六角形晶體結構是扁平的，而鍺烯的晶體結構是彎曲的;它的晶格由兩個垂直分離的子晶格組成，不像石墨烯晶格被限制在一個平面上。由此導致的材料性能有重要的電子差異。2012年發表在《納米快報》(Nano Letters)上的一篇論文計算出，在合成鍺烯之前，如果施加垂直電場，鍺烯上的帶隙可以打開——這意味著它可以作為場效應晶體管的理想材料;現代電子產品的重要組成部分。

除此之外，鍺在半導體中與硅一起使用的事實表明，將鍺集成到現有的半導體電路和應用中可能更容易。

另一個重要的區別是鍺的原子性質。它表現出非常高的自旋軌道耦合，這意味著有不同的能級基于電子的自旋。鍺的自旋軌道間隙為24meV(毫電子伏特)，而石墨烯的自旋軌道間隙小于0.05meV。這意味著鍺是一種二維材料，可能在量子計算的新興領域有真正的用途。構建量子計算機所需的關鍵組件之一是獲得量子態，量子態可用于以量子位的形式編碼信息。電子上的自旋是一種經典的量子態，有很好的文獻證明，它有可能被測量和操縱。

這是一種新的電子學形式——自旋電子學——鍺在這些研究中很可能是一種有用的材料。自旋軌道間隙也引起了量子凝聚態物理學家的興趣:它可以作為一種實驗材料，在可達到的溫度下觀察量子自旋霍爾效應。 量子自旋霍爾態不僅引起了理論物理學家和實驗物理學家的興趣——盡管這一領域的理論突破最近獲得了諾貝爾獎。

它們與物質的一個新階段——拓撲絕緣體相聯系。您可以將拓撲絕緣體描述為“內部是絕緣體，外部導電”的材料。大塊的材料不導電，但外面是超導的!合成這樣的材料可能會帶來新的電子產品:有人提出，納米尺度的電線可以由拓撲絕緣體制成。這可能會導致非?？旌托〉碾娐罚屛覀儽３帜柖?，并增加處理速度和密度的計算能力，我們可以在我們的電路中獲得。



此外，二維拓撲絕緣體類具有重要的自旋電子性質。石墨烯最初被預測具有拓撲絕緣相，但由于碳的自旋軌道耦合如此之低，人們預計石墨烯近期內不可能觀察到這種狀態——在室溫下可能也不可能出現這種狀態。外部應變能引起鍺帶隙的變化;這是由于與石墨烯形成對比的雙晶格結構?？紤]到可以通過這種應變調整鍺的帶隙，它可能會作為太陽能電池板材料或led應用;這對于前面提到的納米電子應用也很有用。



石墨烯和鍺烯很可能最終會找到一套完全不同的用途。石墨烯更容易生產;你可以用各種方法來制備石墨烯，包括像石墨這樣的材料的簡單剝落，而不是緩慢而昂貴地通過分子束外延。此外，碳是一種比鍺更豐富的物質。



然而，與此同時，鍺烯具有許多使石墨烯成為如此令人興奮的材料的特性，并增加了一些對自旋電子學、量子計算和半導體器件的潛在應用極具興趣的特性。而且，考慮到通過在范德瓦爾斯異質結構中把不同的二維層夾在一起來合成二維材料的新特性的趨勢越來越大，這兩種材料最終可能組合成具有更大應用范圍的東西。

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