材料科学家成功创造了一种真正的二维混合材料，称为石墨烯。
一些最有前景的未来技术材料仅有一个原子厚——例如石墨烯，一种碳原子排列成六角形晶格的薄层，以其卓越的强度和导电性而受到珍视。尽管存在数百种这样的材料，但真正将它们融合成新的东西仍然是一个挑战。大多数努力只是将这些原子薄的薄片像纸牌一样堆叠，但这些层之间通常缺乏重大相互作用。
根据发表在《先进材料》上的一项研究，由莱斯大学材料科学家领导的国际研究团队成功创造了一种真正的二维混合材料，通过在单一、稳定的化合物中化学融合两种根本不同的二维材料——石墨烯和二氧化硅，称为石墨烯。
莱斯大学的博士生、该研究的第一作者萨斯维克·伊扬加表示：“这些层并不只是简单地叠放在一起——电子在其中移动并形成新的相互作用和振动状态，从而产生每种材料单独所没有的特性。”
更重要的是，伊扬加解释说，这种方法可以应用于广泛的二维材料，使设计用于下一代电子、光子和量子设备的二维混合材料的开发成为可能。
伊扬加说：“这为结合全新类别的二维材料开辟了大门——例如将金属与绝缘体或将磁体与半导体结合——以从基础上创建定制材料。”
该团队开发了一种两步、单反应的方法，通过使用含有硅和碳的液态化学前体来生长石墨烯。通过在加热过程中调节氧气水平，他们首先生长石墨烯，然后改变条件以促进二氧化硅层的形成。这需要一个定制的高温低压设备，该设备与来自印度瓦纳拉斯印度大学的访问教授安查尔·斯里瓦斯塔瓦合作设计了数月。
伊扬加说：“这个设置使合成成为可能。结果材料是一个真正的混合物，具有新的电子和结构特性。”
一旦材料合成成功，莱斯团队与萨塞克斯大学的马诺杰·特里帕蒂和阿兰·道尔顿合作，确认其结构。石墨烯是某种新材料的第一个线索来自一个异常现象。当团队使用拉曼光谱分析材料时——这是一种通过测量散射激光光中的微小变化来检测原子振动的技术——他们发现的信号与石墨烯或二氧化硅都不匹配。这些意外的振动特征暗示了层之间更深层的相互作用。
在大多数二维材料堆叠中，层仅仅坐在原地，像冰箱门上的磁铁一样微弱地结合在一起。但在石墨烯中，这些层通过称为弱范德瓦尔斯键的方式锁定在一起，允许电子在它们之间流动，从而产生全新的行为。
为进一步调查，伊扬加咨询了来自巴西的光谱学专家马尔科斯·皮门塔。最终，这种异常现象被证明是一个伪影——伊扬加表示，这是一个重要的提醒，提醒我们即使是可重复的结果也必须谨慎对待。
为了更好地理解这些结合层在原子层面上的行为，该团队与宾夕法尼亚州立大学的文森特·梅尼埃合作，以对照量子模拟验证实验结果。这确认了石墨烯和二氧化硅层以独特的方式相互作用并结合，在界面上部分共享电子。这种混合键合改变了材料的结构和行为，使金属和绝缘体变成一种新的半导体。
伊扬加说：“这并不是只有一个实验室能做到的。”他最近在日本作为日本学术振兴会(Japan Society for the Promotion of Science, JSPS)的研究员度过了一年，同时也是四国奖学金的首位获得者，该项目由美国、印度、澳大利亚和日本政府发起，旨在支持早期职业科学家探索科学、政策和外交在全球舞台上的交叉。“这项研究是一个跨洲努力，旨在创造和理解自然无法自行制造的材料。”
莱斯大学的本杰明·M·和玛丽·格林伍德·安德森工程教授兼材料科学与纳米工程教授普利基尔·阿贾扬表示，尽管石墨烯的发现本身就很重要，但使这项研究真正令人兴奋的是它所引入的更广泛的方法——一种化学结合根本不同的二维材料的新平台。
这项研究反映了伊扬加所说的他从导师那里继承的指导原则。
他说：“自从我开始博士学位以来，我的导师一直鼓励我探索那些其他人犹豫不决的混合想法。”他引用了阿贾扬，后者是该研究的通讯作者之一。此外，梅尼埃也是。“阿贾扬教授还曾说，真正的创新发生在犹豫的交汇处——这个项目就是证明。”
这项研究得到了四国奖学金项目的支持；莱斯-宾州州立大学合作项目获得空军科学研究办公室资助（FA9550-23-1-0447）；国家科学基金会研究生研究奖学金计划（2236422）；萨塞克斯战略发展基金；碳纳米材料科学与技术研究所；米纳斯吉拉斯州研究资助基金会；以及巴西国家科学与技术发展委员会。本文内容仅代表作者的观点，不一定反映资助组织和机构的官方观点。
伊扬加、斯里瓦斯塔瓦、梅尼埃和阿贾扬表达了追求知识产权的兴趣，并已就此技术提交了一份美国临时申请。
