Follow

【你喜欢搭乐高吗】——那你应该也会喜欢原子乐高!
2010年诺贝尔物理学奖发给了安德烈·盖姆爵爷,表彰他在石墨烯研究方面的卓越贡献。你小时候或许也听说过这项“透明胶扯出来的诺贝尔奖”,意思是用透明胶反复剥离石墨,可以获得只有一层碳原子厚的石墨烯。这是因为石墨是一种范德瓦尔斯(van der Waals, vdW)晶体,每一层内的碳原子由共价键相连,形成蜂窝状六边形结构,片层之间的相互作用力则是非常弱的范德瓦尔斯力,可以轻松用胶带分离开。关于石墨烯的报道引发了众多关注,很快研究者就获得了其他的单层二维材料,比如说和石墨烯一样是蜂窝结构的二维氮化硼,还有许多种过渡金属二硫化物(TMDs)比如二硫化钼。那既然我们可以从三维vdW晶体中剥离出单层,可不可以再把这些单层叠起来呢?
可以的。在2013年发表的这篇[1]展望中,盖姆爵爷提出,就像拼乐高一样,我们可以把二维材料再拼起来(见示意图),想要什么顺序什么种类都可以!这类人造的vdW晶体或许有望模拟超导材料,通过控制片层厚度提高超导温度。原子乐高听起来很爽,实际上能不能做到呢?有一些要求。首先能稳定存在的二维材料并没有那么多:很多三维材料都依靠表面钝化来维持稳定,而单原子厚度的二维材料就只有表面,正面反面一钝化就没了!其次,在胶带剥离的过程中,胶带上的有机物和空气中的水分子不可避免地会污染材料表面,使得堆叠起来的多层结构并不像乐高那样严丝合缝,可能更像蛋糕——几片之间糊满了奶油霜。
这不仅是一个科幻想象,而是已经有了一些尝试。研究表明把石墨烯叠在氮化硼上可以显著增强石墨烯的电学性能,上下两层氮化硼夹TMD单层则可以保护比较不稳定的材料。研究还发现,实际上片层之间的vdW作用力足够强,可以把杂质挤开,最后杂质就会堆在一起形成泡泡(就像贴膜没贴好)。这些都是在实验室环境里通过显微镜下精准操作实现的,如果想要获得大片vdW晶体工业化使用,目前的外延生长技术好像还做不到 :weep:
距离这篇展望发表已经过去了8年,全球许多玩家都参与了这项原子乐高活动,而且我们发现,乐高这个类比或许并不准确。不同二维材料的晶体结构不同,不能像乐高一样“咔哒”合上。片层之间还可以通过扭转角度改变能带结构[2],甚至实现超导[3]。
@mature
[1]Geim, Andre K., and Irina V. Grigorieva. "Van der Waals heterostructures." Nature 499.7459 (2013): 419-425.
[2]Yeh, Po-Chun, et al. "Direct measurement of the tunable electronic structure of bilayer MoS2 by interlayer twist." Nano letters 16.2 (2016): 953-959.
[3]Cao, Yuan, et al. "Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices." Nature 556.7699 (2018): 43-50.

@mature 早在2000年,盖姆爵爷就因为悬浮青蛙的工作获得过搞笑诺贝尔物理学奖。迄今为止他是唯一一个获得双料殊荣的科学家 :drake_like:

Sign in to participate in the conversation
SCI小卖部(๑╹ヮ╹๑)ノ打折啦

SCI站是学术奇思妙想所创造的空间,初衷是为饱受学术之苦的小象们创造一块自留地,能够分享学术时期的心路历程从而互相安慰与互相鼓励。同时我们也欢迎所有朋友加入我们一起碎碎念,让小象们的生活哲学能够交融于此。