科學(xué)家首次制造出Stanene。圖片來源：《自然—材料》

兩年前，物理學(xué)家曾預(yù)測錫應(yīng)該能夠形成僅有一個(gè)原子厚的網(wǎng)格，如今研究人員表示他們終于制出了這種材料。這種薄膜被稱為Stanene，研究人員在8月3日出版的《自然—材料》上報(bào)告了這一成果。但是他們尚未能證實(shí)這種新材料是否像預(yù)期的那樣具有讓理論學(xué)家激動(dòng)的奇異電子特性，例如能夠在導(dǎo)電的同時(shí)不產(chǎn)生任何形式的廢熱。

Stanene是石墨烯最新的表親，后者是一種由碳原子構(gòu)成的蜂窩晶格，曾引發(fā)了數(shù)以千計(jì)的相關(guān)二維材料研究。這些研究包括由硅原子構(gòu)成的硅烯片;由磷構(gòu)成的phosphorene;由鍺構(gòu)成的germanene;以及結(jié)合不同類型化學(xué)元素的薄膜片。

許多薄膜都是電的極佳導(dǎo)體，但Stanene在理論上要更加特殊。在室溫下，電子應(yīng)該能夠沿著網(wǎng)格的邊緣前進(jìn)而不會(huì)像在大多數(shù)材料中那樣碰撞到其他電子和原子。根據(jù)美國加利福尼亞州斯坦福大學(xué)物理學(xué)家張守成在2013年的預(yù)測，這將使得薄膜在導(dǎo)電的同時(shí)不會(huì)以廢熱的形式損失能量。張守成同時(shí)也是這項(xiàng)最新研究的作者之一。

印第安納州西拉斐特普渡大學(xué)電氣工程師兼物理學(xué)家Peide Ye認(rèn)為，這意味著一層Stanene薄膜是在電路中運(yùn)送電流的完美公路。“我一直在尋找那些不僅在科學(xué)上很有趣而且在裝置中有潛在應(yīng)用價(jià)值的東西。”他說，“這真是一項(xiàng)非常有趣的工作。”

Stanene被預(yù)測為一種拓?fù)浣^緣體的實(shí)例，即載荷子(例如電子)無法穿越一種材料的中心但卻能自由沿著其邊緣移動(dòng)，其移動(dòng)方向取決于它們的自旋—— 一種量子特性——是“向上”還是“向下”。張守成表示，電流不耗散是因?yàn)榇蟛糠蛛s質(zhì)無法影響自旋并且不能使電子變慢。

然而盡管制造出了Stanene，但張守成及其在中國4所大學(xué)中的同事卻無法證明它是一種拓?fù)浣^緣體。研究人員通過在真空中蒸發(fā)錫并使原子飄蕩在由碲化鉍制成的一個(gè)支持面上從而制造出晶格。張守成說，盡管這一表面使得二維Stanene晶體得以形成，但它同時(shí)還有晶體相互作用，從而為拓?fù)浣^緣體創(chuàng)造了一個(gè)錯(cuò)誤條件。他已經(jīng)共同撰寫了另一篇論文，研究哪些表面能更好地工作。

德國維爾茨堡大學(xué)物理學(xué)家Ralph Claessen表示并不完全清楚研究人員是如何制出Stanene的。他說自己需要看到來自X射線衍射的晶格結(jié)構(gòu)直接測量結(jié)果，以便確認(rèn)研究小組真的制造出了Stanene，而不是錫的其他排列形式。但這需要比張守成及其同事制造的更多的材料。

而法國艾克斯馬賽大學(xué)物理學(xué)家Guy Le Lay卻對證實(shí)Stanene的電子特性表示樂觀。“這就像登月。”他說，“第一步至關(guān)重要。”

石墨烯是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和多層石墨烯的統(tǒng)稱。因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實(shí)質(zhì)上是一種透明、良好的導(dǎo)體，也適合用來制造透明觸控屏幕、光板甚至是太陽能電池。