單原子材料硅樹脂——或替代石墨烯 - 全文

　　自從2004年科學家們發(fā)現(xiàn)石墨烯以來，一股研究石墨烯的浪潮席卷全球。石墨烯是只有一個碳原子厚度的二維材料，它不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅硬，而且導電性能極好，大多數(shù)科學家都認為石墨烯這種納米材料能被用來制造更纖薄、速度更快的電子設備，有望徹底改變計算、電子和醫(yī)藥等領(lǐng)域的現(xiàn)狀。

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硅樹脂能夠很容易集成到電路中

　　但是，也有科學家偏偏不讓石墨烯專美。據(jù)物理學家組織網(wǎng)近日報道，有幾個科研團隊宣稱，他們已經(jīng)研制出了同樣纖薄的、僅為一個硅原子厚的硅樹脂（silicene），而且他們認為，與石墨烯相比，硅樹脂的應用潛力毫不遜色，也有助于科學家們研制出更小更快的電子設備。不過，關(guān)于誰最先合成出了硅樹脂，科學界也引發(fā)了不少的爭議。

　　硅樹脂不遜于石墨烯

　　在電子學領(lǐng)域，小即是快。科學家們都在絞盡腦汁讓傳統(tǒng)的基于硅的電子設備變得越來越小，但當這些設備接近單原子尺寸這一極限時，都紛紛開始出現(xiàn)故障。因此，制造商們需要找到解決辦法以便未來研制出運行速度更快的電子設備。他們表示，由于硅樹脂和石墨烯都是二維結(jié)構(gòu)，都能在單原子尺寸工作，因而硅樹脂有望成為他們的“救星”。

　　美國俄亥俄州代頓市萊特州立大學物理和電子工程系主任洛克·溫雷彥（音譯）說：“硅樹脂有望將人們帶往最終的尺寸極限，因此它無比重要?！?007年，他創(chuàng)造出了silicene這一術(shù)語。

　　溫雷彥表示，與石墨烯相比，硅樹脂的優(yōu)勢在于其擁有獨特的結(jié)構(gòu)。在硅樹脂內(nèi)，幾個硅原子分布于主二維表面的上下方，而且，在上下這兩個區(qū)域內(nèi)的電子擁有不同的能級，施加電壓可使電子越過該能隙，并讓硅樹脂能在“開”和“關(guān)”狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變。

　　這樣，由硅樹脂制成的電子設備能可靠地展示出晶體管（計算機的基礎(chǔ)元件）具有的關(guān)鍵的開—關(guān)功能?，F(xiàn)在，石墨烯已經(jīng)搶先一步，在這一領(lǐng)域取得了不少突破，正以“潤物細無聲”的姿態(tài)，慢慢成為制造晶體管的基礎(chǔ)元件。

　　法國艾克斯馬賽大學的蓋伊·勒·內(nèi)表示：“電子工業(yè)目前正在從以硅為主朝以碳（石墨烯）為主的方向轉(zhuǎn)變，從理論上而言，轉(zhuǎn)到石墨烯非常好，但也非常復雜。”

　　勒·內(nèi)解釋說，因為目前制造電子設備的基礎(chǔ)設施都是以硅為基礎(chǔ)，是否全心全意“擁抱”石墨烯，讓其成為日后研制超快速處理器的基礎(chǔ)，在這一點上，電子設備的制造商們非常猶豫，而硅樹脂則生逢其時，為制造商們提供了極富吸引力的應用前景。

　　勒·內(nèi)表示，他和同事首次合成出了硅樹脂，研究論文發(fā)表在《物理評論快報》雜志上。接下來他們將研究如何用硅樹脂來制造晶體管，并希望能在未來兩年左右時間內(nèi)研制出第一個硅樹脂晶體管。

圖為硅樹脂模型

　　“硅樹脂之父”有爭議

　　盡管勒·內(nèi)團隊宣稱他們首先合成出了硅樹脂，但這一說法遭到了另外一些科研團隊的駁斥。

　　據(jù)報道，中國和日本的研究團隊最近也宣稱合成出了硅樹脂，而且，早在2010年，就有一個科研團隊在年末出版的《應用物理學快報》雜志上表示，他們首次合成出了硅樹脂。不過，勒·內(nèi)表示，2010年的研究提供的證據(jù)并沒有他領(lǐng)導的團隊提供的證據(jù)充分。

　　2010年研究論文的主要作者之一、美國中佛羅里達大學專門研究硅樹脂的理論物理學家阿布德卡德·卡拉表示：“勒·內(nèi)想成為‘硅樹脂之父’，但實際上他不是。”

　　盡管卡拉團隊宣稱他們在2010年就已經(jīng)合成出了硅樹脂，但是，他們僅僅使用了一種檢測方法來證明自己的結(jié)論，那就是掃描隧道顯微鏡（STM）拍攝的圖片。掃描隧道顯微鏡依靠量子力學效應來提供原子層面的圖像，能比普通顯微鏡提供更多細節(jié)。

　　勒·內(nèi)團隊認為，這樣的圖像具有一定的欺騙性，2010年的研究結(jié)果并不能證明卡拉團隊合成出了硅樹脂。

　　勒·內(nèi)指出，大多數(shù)研究硅樹脂的科學家都嘗試在銀上種植硅樹脂，因為銀原子和硅原子之間的相互作用并不強，盡管這一方法能使硅樹脂在銀基座上獨立成型，但可能很難將真正的硅樹脂薄片和銀結(jié)構(gòu)區(qū)分開來。

　　勒·內(nèi)研究團隊的另一名領(lǐng)導者、德國柏林工業(yè)大學的硅樹脂專家帕特里特·沃格特說：“在銀的表面有些具有欺騙性的東西，銀表面能模擬看似硅樹脂的蜂巢表面，但是，真正的硅樹脂結(jié)構(gòu)看起來卻并非這樣?！?/p>

　　不過，卡拉也反駁稱，他們有足夠的證據(jù)表明，他們于2010年就合成出了硅樹脂。證據(jù)包括：銀原子本身如何在一個角度與銀基座對齊；另外，銀表面本身無法形成顯微鏡圖像揭示出的蜂巢結(jié)構(gòu)。

　　卡拉辯稱：“掃描隧道顯微鏡圖像當然具有欺騙性，但我們進行了非常認真的檢查，因此，論文才得以被接受并發(fā)表?！?/p>

　　然而，勒·內(nèi)和沃格特卻對卡拉團隊的回答不滿意。為了確保他們已經(jīng)真的制造出了硅樹脂，他們采用幾種方法對得到的樣本進行了分析。他們測量了其電性和化學性質(zhì)，并將實際得到的圖片同理論預測進行了比較。勒·內(nèi)表示，需要多個不同的證據(jù)來源才能證明真正合成出了硅樹脂。

　　另外，該團隊也發(fā)現(xiàn)，與2010年的結(jié)果相比，他們觀察到的硅原子的距離與理論預測更吻合。

　　卡拉認同勒·內(nèi)團隊在硅樹脂研究領(lǐng)域取得了重要的進步，但他表示，勒·內(nèi)團隊還不足以成為“硅樹脂之父”，他們才應該是。

　　溫雷彥并不屬于卡拉團隊，也不屬于勒·內(nèi)團隊。他承認，2010年的結(jié)論和理論預測之間還存在著不少差異，因此目前還并不清楚誰最先合成出了硅樹脂，而且聲稱合成出硅樹脂的研究團隊越來越多，讓這一爭論變得更加復雜。

　　實際應用仍面臨挑戰(zhàn)

　　盡管還不確定誰最先合成出了硅樹脂，但研究人員對接下來的研究思路卻達成了一致意見。他們表示，為了完全利用硅樹脂的性能，物理學家們需要將硅樹脂種植在一個并不會像銀那樣導電的絕緣材料上。一旦硅樹脂能被種植在絕緣體上，科學家們將更容易研制出硅樹脂半導體和其他設備。

　　勒·內(nèi)表示，硅樹脂設備可以用來顯著增加處理速度，但相關(guān)研究還面臨著一些比較大的挑戰(zhàn)。他說：“從目前取得的成就到實際應用還有很長的路要走?！?/p>