除了石墨烯

在过去的十年中,石墨烯已经成为无可争议的冠军的物质世界。这个单原子层厚厚的碳是已知最薄的材料和最强大的测量;也是一个更好的比铜导体,能够维持一个高电流密度6个数量级。它已经进了它的发现者,安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在英国曼彻斯特大学的一个诺贝尔化学奖和预计将一系列不同的技术,从计算到涂料化学传感器。

作为一个冠军的问题,当然,是你总是被暴发户想篡夺挑战你的位置,这与石墨烯正开始成为现实。像石墨烯,这些暴发户二维原子晶体组成的一层薄薄的,虽然他们拥有许多相同的性质,石墨烯还拥有一些新的。虽然他们还没有成功地将石墨烯的风光,他们肯定会设法肌肉上。

“当人们与石墨烯已经有点累了,二维晶体出现,带来了新的竞争对手进入该地区,”诺沃肖洛夫说。远不是一种威胁,但是,这些新的竞争对手最终可能成为石墨烯。

过渡金属

实际上是诺沃肖洛夫和海姆首先显示相同的过程他们用于生产石墨烯,涉及仔细拉的单层石墨烯从一块石墨块胶带,也可以生产其它二维晶体。在2005年的一篇论文中,¹他们使用这种技术生产的一系列二维晶体从石墨材料具有类似的分层结构,包括二硫化钼(金属氧化物半导体₂),铌联硒化物(NbSe₂)和氮化硼(BN)。

前几年,石墨烯获得几乎所有的注意力,但是现在科学家们开始转向其他的二维晶体,尤其是过渡金属dichalcogenides。正如它们的名字所表明的,这些都是由过渡金属,如钼、钨、铌与硫族元素如硫和硒。

不同于石墨烯,这些化合物实际上并不由一层原子。相反,它们构成一层过渡金属硫族元素原子的原子夹在两层。然而,这些三层强烈的原子通过共价键结合在一起,而每个三层单只与邻国通过弱的范德华债券,允许个人表分开。

尽管不同的原子结构,过渡金属dichalcogenides分享一些石墨烯的令人印象深刻的特性,由这一事实从本质上说,他们是所有表面。显然都很薄,虽然石墨烯薄,并且都非常强劲,尽管石墨烯更强。他们也有一些相同的挑战,尤其是在寻找方法在大规模生产它们。煞费苦心地剥离个人从三维晶体二维表,称为机械剥落,显然不适合大规模生产。

对于过渡金属dichalcogenides,更好的方法包括化学剥离,在三维晶体是用溶剂释放个人表,和化学气相沉积(CVD),这已经是常用的生产碳纳米管。心血管疾病是通过一个或多个气体包含组件元素在一个平的底物,反应在一起形成二维晶体。然而,这些方法的一个问题是,他们生产的表通常不是那样的由机械剥落,倾向于含有更多的缺陷。

有趣的差异

这是另一种二维晶体的方式不同于石墨烯提供最被看好,然而。比铜导电石墨烯是更好的,但许多过渡金属dichalcogenides自然半导体和氮化硼是绝缘体。此外,不同的过渡金属dichalcogenides拥有不同的半导体性质。当石墨烯无疑拥有一些令人印象深刻的物理属性,其他二维晶体的广泛的套件,包括超过40个不同的过渡金属dichalcogenides,给科学家们更多的玩。

在某些情况下,这意味着某些过渡金属dichalcogenides可以做石墨烯做什么,只是稍微有所好转。例如,单个石墨烯是有效的化学传感器,能够探测化学物质通过两个不同的机制。首先是导电性的变化引起的化合物坚持一张石墨烯的表面。第二个涉及使用它作为一个谐振器:如果暂停,石墨烯自然会震动,或产生共鸣,在一个特定的频率,从而改变化学坚持它。

科学家们最近发现,同样的事情也发生在其他二维晶体。在2013年,菲利普·冯和他的同事们在克利夫兰凯斯西储大学,我们表明,暂停的金属氧化物半导体₂可以振动速度比石墨烯,这意味着他们可以更敏感的传感器。²

我们一直在积极研究金属氧化物半导体₂纳米机械谐振器的振动以非常高的频率(甚高频无线电频段),随着高频设备的要求他们更小,从而提供更高的速度和更高的反应性和敏感性外部刺激和干扰,”冯解释道。所以甚高频金属氧化物半导体₂谐振器检测特定的化合物有很强的潜力在气相检测和分析。

冯也想增强MoS的感应能力₂进一步,通过结合谐振器和电导检测机制;他帮助这个目标MoS的事实₂是一种半导体。结合富有吸引力的机电耦合特性,我们希望开发出有趣的传感器集成功能,”他说。

在其他情况下,这意味着过渡金属dichalcogenides可以实现石墨烯不可能的壮举。例如,不同于石墨烯,过渡金属dichalcogenides催化能力,金属氧化物半导体₂能够催化析氢反应。研究表明,金属氧化物半导体的边缘₂表负责催化活性,通常是相当薄弱。

然而最近,为首的材料来自美国和韩国的科学家嘉兴黄在伊利诺斯州西北大学,设法提高催化活性的金属氧化物半导体₂和硫化钨(WS₂)沉积金纳米粒子。³他们这么做仅仅通过混合的金属氧化物半导体化学剥落了₂和WS₂hexachloroauric酸在水中,床单减少酸,导致金纳米粒子表面。

有趣的是,这个过程最好是表拥有大量的缺陷,由于金纳米粒子优先形成缺陷板边缘和晶界等网站,三层组成的单个表不排队。黄和他的团队发现,覆盖的金属氧化物半导体₂和WS₂与金纳米粒子以这种方式大大增强了它们的催化析氢反应的能力。

黄说这催化活性增加可能是由于金纳米粒子增强不同表之间的电荷传输,这表明这些案表应该能够催化electrocatalytic反应。此外,黄认为相同的基本方法可以用来覆盖和其他各种纳米粒子在床单上,可能允许他们催化其他类型的反应。

非常有用的不完美

缺陷也可能负责另一个有趣的属性,到目前为止只有过渡金属dichalcogenides的预言。为首的美国科学家鲍里斯Yakobson休斯顿莱斯大学最近计算,过渡金属dichalcogenides应该磁,至少在晶界。⁴

Yakobson的团队进行理论研究时形成的颗粒边界过渡金属dichalcogenides是由心血管疾病。这表明边界应该显示一个小磁矩,电子的自旋引起的边界附近的相互调整。“不管你如何成长,Yakobson解释道。这些最终使定向变异区域碰撞,这就是你发现拓扑缺陷。事实证明——我这样机械的隐喻——他们挤出磁性非磁性材料。石墨烯还具有颗粒边界,但Yakobson计算表明他们没有磁场,由于石墨烯的导电性和单层结构。

下一步是检测磁实验,容易在这些小的尺度上。所以Yakobson现在希望与北京清华大学的一个小组合作,中国,获得这个实验证明。如果他们找到它,这将提供进一步的证据表明,过渡金属dichalcogenides实际上是比石墨烯变换计算更好的定位。

现代计算是建立在硅的半导体性质;特别是,让电流通过的能力在一定条件下但不低于他人。这允许晶体管开关类的创建,身体支撑数字世界的1和0。

石墨烯的问题是,它不是一个半导体,这是一个非常有效的售票员:一个开关,无法关机。石墨烯可以通过化学转化为半导体修改它或身体变形,但过渡金属dichalcogenides如金属氧化物半导体₂是天然的半导体。找到一个方法来构造的晶体管可以缩小计算机电路到原子尺度,这一壮举是不可能与传统硅基技术。

如果过渡金属dichalcogenides是磁场,那么提高的可能性使用它们来开发一种全新的计算,数字0和1的编码在电子的自旋状态,而不是在电荷。被称为自旋电子学,这个可以实现自旋状态之间切换的应用磁场和应该提供更快的计算机处理。

一些科学家甚至建议,过渡金属dichalcogenides可以形成另一种新型的计算的基础,被称为valleytronics。电子穿过晶体波,这些波位于某些山谷的最低能量。在valleytronics,两个不同的山谷之间的想法是开关电子作为一种编码数字0和1。相当轻松,金属氧化物半导体₂拥有两个这样的山谷和几个研究小组最近发现,可以利用偏振光开关电子这两个山谷之间。⁵

生活在旧的石墨烯

也不是石墨烯,因为虽然现代计算机电路是基于半导体,他们还需要导体和绝缘体。因此,如果你想建立一个从过渡金属dichalcogenides量子电路的,您还需要使用石墨烯作为导体或者氮化硼绝缘子。

这正是安德拉斯克义斯和他的同事们在瑞士洛桑联邦理工学院的。2011年,他们创建了一个晶体管组成的一层金属氧化物半导体₂作为半导体通道两个金电极之间,⁶之前有两个石墨烯电极取代。最近,通过将第三层石墨烯上的金属氧化物半导体₂层作为电荷捕获装置称为浮栅,他们创建了一个非易失性存储单元。⁷克义斯和他的同事已经开始连接的晶体管和记忆细胞在一起形成简单的电路。

事实上,真正的二维晶体的潜力不是来自孤立地使用它们但加入他们在一起形成异质结构。如果你加入大量的石墨烯在一起然后批量石墨和如果你结合大量的金属氧化物半导体₂表在一起然后批量金属氧化物半导体₂。但是如果你加入石墨烯和金属氧化物半导体₂表在一起,然后你会得到一个材料在自然界中不存在,可能拥有一些非常有趣的属性。

这是诺沃肖洛夫目前的兴趣所在。我们使用不同的材料组合,这些材料扮演着自己的角色,”他说。物理现象的类型和数量,我们观察结合几个晶体是真正激动人心的和令人鼓舞的应用程序。

通过将一张WS₂两层石墨烯之间,诺沃肖洛夫和他的团队已经成功地产生一个非常高效的太阳能电池。⁸石墨烯的化学修饰,电子在其中一个主要的电荷载体和孔洞(空白缺失产生的电子)是主要的电荷载体。

石墨烯是自然透明,所以两个石墨烯表允许光线穿过半导体WS₂表。与硅的情况一样,当光照射到WS₂表,它生成电子·孔对。电子和空穴是立即吸引了向不同的石墨烯薄片,一张是带负电荷的,而另一种是积极的,把电子·孔成对,产生电流。

在发展中这种异质结构,科学家已经有很多可供选择的二维晶体,与石墨烯和许多不同的过渡金属dichalcogenides,但是新的二维晶体继续出现。在过去的几年里,几个研究小组称个原子层的硅,称为silicene,而美国科学家最近预测,一个原子层的锡-被称为stanene将拓扑绝缘体与无损的电子传导区。

如果这种情况持续下去,石墨烯的鲈鱼可能很快就会变得相当拥挤。

在Bosham乔恩·埃文斯是一个基于科学作家,英国