近日，英國曼徹斯特大學物理學與天文學院的安德烈·格伊姆教授和科斯特雅·諾沃塞洛夫博士，在石墨烯基礎上開發(fā)出一種具有突破性的新材料——石墨烷。他們用純凈的石墨烯和氫制備出了一種具有絕緣性能的二維晶體石墨烯衍生物——石墨烷。該方法也同樣適用于制備出其他基于石墨烯的超薄材料，這些新型超薄材料具有不同導電性能。相關研究結果發(fā)表在1月30日出版的美國《科學》雜志上。
從石墨烯到石墨烷
研究人員在不破壞石墨烯獨特的六角形晶格結構和單原子厚度的情況下，在每個碳原子上都增加了一個氫原子，從而制備出了具有新特性的石墨烯衍生物——石墨烷。研究人員稱，雖然純凈石墨烯的化學性質極為穩(wěn)定，但他們發(fā)現(xiàn)，氫原子可與其發(fā)生反應，將高度導電的石墨烯材料變成了絕緣特性的石墨烷新材料。該實驗證明了可以通過化學方法改變石墨烯的性能，這為制備其他基于石墨烯的化學衍生物鋪平了道路。
科斯特亞·諾維塞洛維說：“石墨烯是一種極佳的導體，可被廣泛的應用于諸多電子設備當中，如果可以通過化學方法按人們的需要控制其電子性能，那將具有更為誘人的應用前景。我們的工作已經(jīng)證明了這種方法的可行性，已經(jīng)打開制造石墨烯化學衍生物的閘門，這將進一步拓寬石墨烯的應用空間。”
新型半導體材料將問世
安德烈·海姆和科斯特亞·諾維塞洛維曾在2004年首次制備出石墨烯。純凈的石墨烯是一種只有一個原子厚的結晶體，具有超薄（一個原子厚度）、超堅固和超強導電性能（電子通過率幾乎達到100%）等特性，在2004年被安德烈·海姆和科斯特亞·諾維塞洛維研制成功并首次公布后，石墨烯立即成為材料學和物理學領域的研究熱點，科學界認為石墨烯極有可能取代硅而成為未來的半導體材料，具有非常廣闊的應用前景。而此次利用石墨烯制成石墨烷這一新突破無疑再次拓展了人們的想象空間。
石墨烯的獨特電子特性使研究人員得以開發(fā)出新的材料，制造出尺寸更小、速度更快的晶體管。然而，由于電子能譜中能隙的缺乏，科學家為此被迫使用基于石墨烯的復雜結構。而曼徹斯特大學研究人員通過將純凈的石墨烯暴露在原子化的氫中制成了高品質的石墨烷晶體，這種方法揭示了可基于石墨烯制造出許多其他超薄晶體材料。
2008年，研究人員已經(jīng)根據(jù)石墨烯獨特的電子性能開發(fā)出與傳統(tǒng)的硅材料相比，體積更小、速度更快的石墨烯晶體管。然而，為了彌補電子光譜中的能量缺陷，科學家們不得不使用相當復雜的以石墨烯為基礎結構如量子點和量子原子團來達到目的。而這項新研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯可被修改成新的材料以微調(diào)其電子性能，這為其帶來了更為豐富的可能性，也為未來電子設備的發(fā)展提供了一種真正多功能的材料。
安德烈·海姆表示，現(xiàn)代半導體工業(yè)發(fā)展的時間表都證明了這樣一種發(fā)展趨勢：從絕緣體到半導體再到金屬。但是如果有一種單一材料通過改變其性能而使其覆蓋整個領域，這極有可能會帶來一場半導體工業(yè)的變革。設想一下，未來的晶體管將會由純凈的具有高導電性的石墨烯晶圓和經(jīng)過化學改進的具有半導體性能的石墨烯衍生物一起組成。
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