石墨烯（xī）與（yǔ）鍺烯的相同點和不（bú）同點

石墨烯與鍺烯（xī）的相同點和不同點

自從石墨烯的首次合成揭開了（le）這項研究的序幕，人們就意識到尋（xún）找新的（de）二維材（cái）料的潛在優勢。石墨烯是一層碳原（yuán）子，以簡單的六角形結構結合在一起（qǐ）。碳已經（jīng）因為形成一（yī）係列迷（mí）人的化學鍵而聞名;同素異（yì）形（xíng）體和富勒烯，包括（kuò）C-60——“巴克球（qiú）”——已經合成。但人們很快（kuài）就意識到，其他元素也可以形成二維同素異形體，比如矽烯和（hé）錫的錫烯。這些原子的（de）不（bú）同性質導致了它們（men）的二維類似物的不同性質（zhì）。 

 鍺最早是在1886年被發現的:雖然最初（chū）它（tā）並沒有在（zài）工業上得到很多應用，因為它被認為是一種很差的導電（diàn）體，但到了20世紀（jì）40年代和50年代，它作為（wéi）半導體的有用光學和電子特性得（dé）到了認（rèn）可。早期的晶體管通常是由鍺製成（chéng）的——現在仍（réng）然有很多，盡管一旦（dàn）合成純（chún）度合適的矽變得更容易，鍺（zhě）的吸引力就下降了。

2014年，在曼（màn）徹斯（sī）特大學首次分離石墨烯十年（nián）之後，兩個不同的研究團隊創造出（chū）了鍺烯。這種材料本質（zhì）上是石墨烯（xī）的（de）近親;它由一層鍺原子組成，具有（yǒu）二維（wéi）材料特有的六角形結構。石墨烯最初（chū）是（shì）在20世紀60年代在金屬板上（shàng）進行研究的，直到2004年才被重新發現、分離和表（biǎo）征;
這種鍺是由一個歐（ōu）洲團隊通過分子束外延技術在金基底上合（hé）成（chéng）的，而一個（gè）中國團隊使用的是鉑。在這個過程中，單個（gè）原子以（yǐ）非常低的壓力和高溫沉積在基板上。在許多方（fāng）麵，它與石（shí）墨烯具有相似的性質。它們都具有高電（diàn）子遷移率的特（tè）點——這是一種測（cè）量電子對外加電場反應程度的方法。

電子遷移率是（shì）製備優良半導體材料（liào）的關鍵量之一;石墨烯的載流子（zǐ）遷移率超過（guò）15000平方厘米/秒，大約是矽載流子遷移率（lǜ）的10倍。盡管germanene尚未細化程度不盡相同,理論（lùn）計算表明,內（nèi）在流動性,可以得到一個“完美”的材料,流動性是有限（xiàn）的隻有聲子,或（huò）從晶格的（de）振動散射比graphene.spin-orbit——germanene甚至更高。

鍺烯（xī）和石墨烯之間的差（chà）異主要是由於其六角形結（jié）構的不同。石墨烯的六角形晶體結構是扁（biǎn）平的，而鍺烯的晶體結構是彎曲的;它的晶格由兩（liǎng）個垂直分（fèn）離的子晶格組成，不像石墨烯晶格被（bèi）限製在（zài）一個平麵上。由此導致的材料性能（néng）有（yǒu）重（chóng）要（yào）的電子差異。2012年發表（biǎo）在《納米快報》(Nano Letters)上的一篇（piān）論文計算出（chū），在合成鍺烯之前，如果施加（jiā）垂直電場，鍺烯上的帶隙可以（yǐ）打開——這意味著它可以作為場（chǎng）效應晶體管的理（lǐ）想（xiǎng）材料;現代電子（zǐ）產（chǎn）品的重要組成部分。

除此之外，鍺在半導體中與矽一起使用的（de）事實（shí）表明，將鍺集成到現有的半導體電路和應用中（zhōng）可（kě）能（néng）更容易。

另一個重（chóng）要的區別是鍺的原子性質。它表現出（chū）非（fēi）常高的自（zì）旋軌道耦（ǒu）合，這意味（wèi）著有不同的能級基於電子的自旋（xuán）。鍺的自旋軌道間隙為24meV(毫電子伏特)，而石墨烯的（de）自旋軌道間隙小於（yú）0.05meV。這意味著鍺是一種二維（wéi）材料，可能在量子計算（suàn）的新興領域有真正的用途（tú）。構建量子計（jì）算機所需（xū）的關鍵組件之一是（shì）獲得量（liàng）子態，量子態可用（yòng）於以量（liàng）子位的形式編碼信息（xī）。電子上的自（zì）旋是一（yī）種經典的量子態，有很好的文獻（xiàn）證明，它有可能被測量和操（cāo）縱。

這是一種新的電子學形式——自旋電子學（xué）——鍺在這些研究中很可能是一種有用（yòng）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（zuò）為一種實驗材（cái）料，在（zài）可達到的（de）溫度下觀察量子自旋霍爾效應。 量子自旋霍爾態不僅引（yǐn）起了理論物理學家和實驗物理學家的興趣——盡管這（zhè）一領域的（de）理論突破最近獲得了諾貝（bèi）爾獎。

它們與物質的（de）一個新（xīn）階段（duàn）——拓撲（pū）絕緣體相聯係。您可以將拓撲絕緣體描述為“內部是絕緣體，外（wài）部導電（diàn）”的材料。大塊的材（cái）料不導電，但（dàn）外麵是超導的!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製成。這可能會導致非（fēi）常快和小（xiǎo）的電路，讓我們保持（chí）摩爾定律，並增加處理速度和密度的計（jì）算能力，我們可以（yǐ）在（zài）我們的電路中獲（huò）得。



此外，二維拓撲絕緣體類具有重（chóng）要的自旋（xuán）電子性質。石墨（mò）烯最（zuì）初被預測具有拓撲絕緣相，但由於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（néng）觀（guān）察到這（zhè）種狀態——在室（shì）溫下可能（néng）也不可能出現這種狀態。外部應變能引起鍺帶隙的變化;這是由於與石墨烯形成對比的雙晶格結構。考慮到可以通過這種（zhǒng）應變調整鍺的帶隙，它可能會作為太陽能電池板材料（liào）或led應用;這對於前麵提到的（de）納米電子應用也很有用（yòng）。



石墨烯和鍺烯很可能（néng）最終會找到一套完全不同（tóng）的用途（tú）。石墨烯更容易生產;你可以用各（gè）種方法來製備石墨烯，包括像石墨這樣的材料（liào）的簡單剝落，而不（bú）是緩慢而昂貴地通過分子束外（wài）延。此外，碳是一（yī）種比鍺更豐（fēng）富的（de）物質。



然（rán）而（ér），與此（cǐ）同時，鍺烯具有許多使（shǐ）石墨烯成為如（rú）此令人興奮的材（cái）料（liào）的特性，並增加了一些對自旋電子學、量（liàng）子計算和半導體器件的潛在應用極具（jù）興趣的特性。而且，考慮到通過在（zài）範德瓦爾斯異質結構中把不同（tóng）的二維層夾在一起（qǐ）來合成二維材料的新特（tè）性的趨勢越來越大，這兩種材料最終（zhōng）可能組合成具有更大應用範圍的東西。

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