石墨烯与锗烯的相同点和不同点

石墨烯与锗烯的相同点和不同点

自从石墨烯的首次合成揭开了这项研究的序幕，人们就意识到寻找新的二维材料的潜在优势。石墨烯是一层碳原子，以简单的六角形结构结合在一起。碳已经因为形成一系列迷人的化学键而闻名;同素异形体和富勒烯，包括C-60——“巴克球”——已经合成。但人们很快就意识到，其他元素也可以形成二维同素异形体，比如硅烯和锡的锡烯。这些原子的不同性质导致了它们的二维类似物的不同性质。 

 锗最早是在1886年被发现的:虽然最初它并没有在工业上得到很多应用，因为它被认为是一种很差的导电体，但到了20世纪40年代和50年代，它作为半导体的有用光学和电子特性得到了认可。早期的晶体管通常是由锗制成的——现在仍然有很多，尽管一旦合成纯度合适的硅变得更容易，锗的吸引力就下降了。

2014年，在曼彻斯特大学首次分离石墨烯十年之后，两个不同的研究团队创造出了锗烯。这种材料本质上是石墨烯的近亲;它由一层锗原子组成，具有二维材料特有的六角形结构。石墨烯最初是在20世纪60年代在金属板上进行研究的，直到2004年才被重新发现、分离和表征;
这种锗是由一个欧洲团队通过分子束外延技术在金基底上合成的，而一个中国团队使用的是铂。在这个过程中，单个原子以非常低的压力和高温沉积在基板上。在许多方面，它与石墨烯具有相似的性质。它们都具有高电子迁移率的特点——这是一种测量电子对外加电场反应程度的方法。

电子迁移率是制备优良半导体材料的关键量之一;石墨烯的载流子迁移率超过15000平方厘米/秒，大约是硅载流子迁移率的10倍。尽管germanene尚未细化程度不尽相同,理论计算表明,内在流动性,可以得到一个“完美”的材料,流动性是有限的只有声子,或从晶格的振动散射比graphene.spin-orbit——germanene甚至更高。

锗烯和石墨烯之间的差异主要是由于其六角形结构的不同。石墨烯的六角形晶体结构是扁平的，而锗烯的晶体结构是弯曲的;它的晶格由两个垂直分离的子晶格组成，不像石墨烯晶格被限制在一个平面上。由此导致的材料性能有重要的电子差异。2012年发表在《纳米快报》(Nano Letters)上的一篇论文计算出，在合成锗烯之前，如果施加垂直电场，锗烯上的带隙可以打开——这意味着它可以作为场效应晶体管的理想材料;现代电子产品的重要组成部分。

除此之外，锗在半导体中与硅一起使用的事实表明，将锗集成到现有的半导体电路和应用中可能更容易。

另一个重要的区别是锗的原子性质。它表现出非常高的自旋轨道耦合，这意味着有不同的能级基于电子的自旋。锗的自旋轨道间隙为24meV(毫电子伏特)，而石墨烯的自旋轨道间隙小于0.05meV。这意味着锗是一种二维材料，可能在量子计算的新兴领域有真正的用途。构建量子计算机所需的关键组件之一是获得量子态，量子态可用于以量子位的形式编码信息。电子上的自旋是一种经典的量子态，有很好的文献证明，它有可能被测量和操纵。

这是一种新的电子学形式——自旋电子学——锗在这些研究中很可能是一种有用的材料。自旋轨道间隙也引起了量子凝聚态物理学家的兴趣:它可以作为一种实验材料，在可达到的温度下观察量子自旋霍尔效应。 量子自旋霍尔态不仅引起了理论物理学家和实验物理学家的兴趣——尽管这一领域的理论突破最近获得了诺贝尔奖。

它们与物质的一个新阶段——拓扑绝缘体相联系。您可以将拓扑绝缘体描述为“内部是绝缘体，外部导电”的材料。大块的材料不导电，但外面是超导的!合成这样的材料可能会带来新的电子产品:有人提出，纳米尺度的电线可以由拓扑绝缘体制成。这可能会导致非常快和小的电路，让我们保持摩尔定律，并增加处理速度和密度的计算能力，我们可以在我们的电路中获得。



此外，二维拓扑绝缘体类具有重要的自旋电子性质。石墨烯最初被预测具有拓扑绝缘相，但由于碳的自旋轨道耦合如此之低，人们预计石墨烯近期内不可能观察到这种状态——在室温下可能也不可能出现这种状态。外部应变能引起锗带隙的变化;这是由于与石墨烯形成对比的双晶格结构。考虑到可以通过这种应变调整锗的带隙，它可能会作为太阳能电池板材料或led应用;这对于前面提到的纳米电子应用也很有用。



石墨烯和锗烯很可能最终会找到一套完全不同的用途。石墨烯更容易生产;你可以用各种方法来制备石墨烯，包括像石墨这样的材料的简单剥落，而不是缓慢而昂贵地通过分子束外延。此外，碳是一种比锗更丰富的物质。



然而，与此同时，锗烯具有许多使石墨烯成为如此令人兴奋的材料的特性，并增加了一些对自旋电子学、量子计算和半导体器件的潜在应用极具兴趣的特性。而且，考虑到通过在范德瓦尔斯异质结构中把不同的二维层夹在一起来合成二维材料的新特性的趋势越来越大，这两种材料最终可能组合成具有更大应用范围的东西。

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