理解石墨烯與鍺的異同

理解石墨烯與鍺的異同

自從首次合成石墨烯開啟了這項研究的序幕，人們已經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。碳以其迷人的化學鍵系列而聞名；同素異形體和富勒烯，包括合成了巴克球C-60，但很快發現其他元素也可以形成二維同素異形體，如硅烯和錫，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：盡管最初由于它被認為是一種不良的導體而在工業上沒有被廣泛使用，但是它作為半導體的有用的光學和電子特性在20世紀40年代和50年代得到了承認。早期的晶體管通常是由鍺制成的，盡管一旦它變得容易使用，仍然有很多。在合成純度合適的硅時，鍺的吸引力降低。

2014年，在曼徹斯特大學首次分離石墨烯10年后，兩個不同的研究小組創造了鍺。這種材料本質上是石墨烯的近親，由一層鍺原子組成，具有二維材料特有的六角形結構。石墨烯在20世紀60年代首次在金屬板上研究。直到2004年才被重新發現、分離和描述。

這種鍺是由歐洲的一個團隊利用分子束外延在金襯底上合成的，而中國的一個團隊使用鉑。在這個過程中，一個單原子在極低的壓力和高溫下沉積在基體上。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每秒15000平方厘米，是硅的10倍左右，雖然鍺還沒有得到不同程度的細化，但理論計算表明，固有的流動性可以得到理想的材料。流動性只受聲子的限制，或從晶格散射的振動甚至高于石墨烯。自旋軌道鍺。

鍺和石墨烯的區別主要是由于它們的六角形結構不同，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，后者僅限于一個平面。由此產生的材料支撐電子晶體管有著重要的電子差異。2012年發表在《納米快報》上的一篇論文計算出，在合成鍺之前，如果施加垂直電場，鍺上的帶隙就可以打開，這意味著它可以成為場效應晶體管的理想材料；是現代電子產品的重要組成部分。S.

此外，在半導體中鍺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，這意味著存在不同程度的電子自旋。鍺的自旋軌道間隙為24兆電子伏（毫電子伏），而石墨烯的自旋軌道間隙小于0.05兆電子伏。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實際的應用。構建量子計算機所需要的關鍵組件之一是獲得量子態，它可以用來以量子比特的形式編碼信息。電子中的自旋是一種經典的量子態，已經被很好地記錄下來，并且可以被測量和操縱。

這是一種新的電子學形式——自旋電子學——鍺很可能是這些研究中有用的材料。自旋軌道隙也吸引了量子凝聚態物理學家的興趣：它可以作為實驗材料，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具有激發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。

它們與一種新的物質相——拓撲絕緣體有關。你可以把拓撲絕緣體描述為內部絕緣體和外部導電材料。散裝材料不導電，但它們在外部超導！合成這樣的材料可能會產生新的電子產品：有人認為納米級的導線可以由拓撲絕緣體制成，這可能會導致非常快和小的電路，所以讓我們保持摩爾定律，提高處理速度和密度的計算能力，這是我們可以在電路中得到的。

此外，二維拓撲絕緣體具有重要的自旋電子學性質。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很低，預計石墨烯在不久的將來將無法觀察到這種狀態，而且可能不會在室溫下觀察到這種狀態。外應變能引起鍺帶隙的變化，這是由于與石墨烯相比，鍺的雙晶格結構引起的，考慮到鍺的帶隙可以通過這種應變來調節，因此可以用作太陽能電池板材料或LED應用，這對上述納米電子應用也很有用。

石墨烯和鍺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；你可以用多種方法制備石墨烯，包括簡單地剝離石墨等材料，而不是緩慢而昂貴的分子束外延。此外，碳是一種比鍺更豐富的物質。

然而，同時，Gemene具有許多使石墨烯成為如此令人興奮的材料的特性，并且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具有重要意義的特性，并且考慮到由San合成二維材料新特性的趨勢越來越大。在范德華異質結構中縮小不同的二維層，這兩種材料最終可能結合成具有更廣泛應用范圍的材料。

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