Si版石墨烯“Silicene”，日本北陸先端科技大首次在Si基板上制備成功
在ZrB2/Si基板上制備的Silicene的示意圖
日本北陸先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（JAIST）的研發(fā)小組在形成二硼化鋯（ZrB2）薄膜的Si基板上，制成了硅（Si）原子呈蜂窩構(gòu)造的二維片狀材料“Silicene”。并在2011年3月舉行的美國(guó)物理學(xué)會(huì)（American Physical Society）進(jìn)行了論文發(fā)布。
Si與構(gòu)成石墨烯的碳原子（C）在周期表中屬于同族，也就是說(shuō)雙方的化學(xué)性質(zhì)相近，可獲得的結(jié)晶構(gòu)造也相似。例如，金剛石和塊狀Si的原子均通過(guò)“金剛石構(gòu)造”鍵合。還有可稱為Si版有機(jī)物（碳化氫）的“聚硅烷（Polysilane）”等。在這種情況下，甚至出現(xiàn)了以“生命的基本元素是Si而非C”為內(nèi)容的科幻小說(shuō)（參閱相關(guān)博客）。
不過(guò)，目前尚未確認(rèn)類似由C構(gòu)成的石墨、石墨烯、碳納米管以及乙烯等原子間存在雙鍵的Si物質(zhì)分子在自然界中存在。理由是Si原子的大小超過(guò)C，Si原子間的距離大于C，因而雙鍵的穩(wěn)定性較差。還有人發(fā)表了Si版富勒烯“Si60”無(wú)法穩(wěn)定存在的論文。
而從理論上來(lái)說(shuō)，Si版石墨烯和碳納米管在理論上是可能存在的，而且已知可在一定條件下制備出來(lái)。首先，1994年日本NTT物性科學(xué)基礎(chǔ)研究所發(fā)表了理論論述采用蜂窩構(gòu)造的Si材料穩(wěn)定性的論文。2005年，理論上預(yù)測(cè)“Si納米管”存在。豐田中央研究所在2006年成功制備出了雖然是鎂（Mg）與氧（O）鍵合，但卻類似于Silicene的材料“硅納米片”（參閱論文）。
“Silicene”這一名稱是美國(guó)俄亥俄州的萊特州立大學(xué)（Wright State University）的學(xué)生在2006年的碩士論文中提出來(lái)的。而實(shí)際制出Silicene的卻是法國(guó)研究機(jī)構(gòu)CINaM的研發(fā)小組，他們于2008年在Ag基板上通過(guò)外延生長(zhǎng)制備成功了Silicene（參閱論文）。
此次，JAIST副教授高村（山田）由起子的研發(fā)小組，在ZrB2薄膜/Si基板上通過(guò)外延生長(zhǎng)制備了Silicene。JAIST的高村（山田）表示，“我們從幾年前開始研究氮化物，在這個(gè)過(guò)程中，偶然發(fā)現(xiàn)可以制成Silicene”。
Si基板的尺寸為10mm×20mm。ZrB2采用和石墨烯同為蜂窩構(gòu)造的B層，與Zr以三角形網(wǎng)狀鍵合的層相互重疊的結(jié)晶構(gòu)造。JAIST表示，“Silicene的晶格常數(shù)與ZrB2非常一致”。
還存在位于石墨烯和金剛石之間的中間狀態(tài)
據(jù)JAIST介紹，Silicene與石墨烯存在以下幾項(xiàng)不同之處。（1）Silicene的原子是Si而非C；（2）尚未確認(rèn)Silicene是否可在絕緣基板上進(jìn)行制備，以及是否可以脫離基板作為單體穩(wěn)定存在；（3）Silicene中負(fù)責(zé)原子間鍵合的電子，可以連續(xù)獲得sp3混合軌道與sp2混合軌道之間的中間狀態(tài)；（4）Silicene并非完全為平面狀，而是相鄰原子相互呈波浪“Buckled（彎曲）”形狀時(shí)更為穩(wěn)定。
關(guān)于（2），迄今制備過(guò)Silicene的Ag基板自不用說(shuō)，此次JAIST在制備Silicene時(shí)采用的ZrB2薄膜/Si基板也具有導(dǎo)電性。要想與石墨烯一樣用作晶體管的溝道層，就必須能夠在絕緣層上進(jìn)行制備或轉(zhuǎn)印。
另外，（3）意味著有可能采用金剛石構(gòu)造與石墨烯構(gòu)造之間的中間構(gòu)造自由制備出Si材料。采用接近石墨烯的構(gòu)造時(shí)，“預(yù)計(jì)電子狀態(tài)也會(huì)與石墨烯一樣（電子的有效質(zhì)量為零），形成狄拉克錐（Dirac Cone）結(jié)構(gòu)”（高村（山田））。金剛石構(gòu)造材料是半導(dǎo)體中采用的塊狀Si，因此如果能夠采用兩種構(gòu)造的中間狀態(tài)制出Si材料，那么基于Si的半導(dǎo)體技術(shù)就有可能會(huì)得到大范圍的推廣。
?。?）中的彎曲形狀“在接近石墨烯構(gòu)造時(shí)趨于平面，在接近金剛石構(gòu)造時(shí)，彎曲程度會(huì)增加”（JAIST）。（記者：野澤 哲生）
