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餐桌上的食盐,摇身变成实验室中的二维材料

新浪科技综合2020-06-28 11:11:580阅

来源:原理

氯化钠(NaCl)是我们最熟悉的一种物质之一。在日常生活必不可少的食盐中,最主要成分就是NaCl,我们每天在餐桌上、厨房里都会和它见面。

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(左)NaCl的立体结构模型,绿色为氯原子,紫色为钠原子。(右)NaCl晶体(食盐)。| 图片来源:Benjah-bmm27 & W.J.Pilsak

我们平时见到的NaCl是一种晶体,它的原子按照简单的立方体结构排列,每个原子占据着立方体的一个顶点,然后有序地堆叠起来,形成我们看得见的晶莹剔透的盐粒。微观尺度的规则性和周期性同样反映在宏观尺度的形状上,盐粒一般天然地呈现出规整的立方体形状。

长期以来,人们认为对这种化合物已经有了很深的了解。然而最近,这种看似简单的物质却带来了意外的惊喜。一组来自俄罗斯的科学家预测出NaCl在金刚石表面存在奇异的二维结构,也就是呈六边形的NaCl薄膜。随后他们通过实验首次成功创造出了六边形NaCl。在高压和低维的状态下,这种NaCl表现出了超乎想象的复杂性。

二维材料由一层或几层原子组成,它的性质和结构通常与大块化合物有很大不同。

最著名的二维材料要数石墨烯,它是碳的一种形式,拥有很多令人惊讶的优异性能,比如具有很高的强度,导电性能佳。2004年,海姆和诺沃肖洛夫通过实验制备并表征了单原子厚度的石墨烯材料,打开了二维材料的新世界。他们二人也因此获得2010年诺贝尔物理学奖。

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单原子厚度的石墨烯。| 图片来源:nobelprize.org

后来,科学家也开始研究其他具有有趣性质的二维材料,比如硅烯、锡烯和硼墨烯,它们分别是单层的硅、锡和硼 ,还有MoS2、CuO和其他化合物的二维薄层结构。随着第一个六边形NaCl膜的合成,科学家再次展示了二维材料的奇特性。

研究人员最初仅仅是计划进行一些计算研究,了解新的二维结构在不同衬底上的形成。这是受到一种假设的影响,这种假设认为,如果衬底与NaCl薄膜具有强烈的相互作用,薄膜结构应该会发生重大变化。

他们使用了一种自行开发的进化算法,根据所涉及的化学元素来预测能量最低的结构。算法预测了NaCl在不同金属和金刚石表面的晶体结构,而在金刚石表面的结果非常有趣,NaCl与金刚石似乎会表现出强烈的化学相互作用。预测最终表明,金刚石衬底上存在一种纳米级厚度的六边形NaCl膜。

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在晶体取向(110)的金刚石衬底表面形成的单层(左)和双层(右)的NaCl膜。

有了这样令人兴奋的预测结果,科学家自然不想错过这个机会,他们决定通过实验来验证。最终,实验合成的成功确认了这种六边形NaCl薄膜的存在。NaCl膜的平均厚度约6纳米,更厚的膜会从六边形结构回到立方体结构,也就是我们所知道的食盐的典型结构。

研究人员相信,由于六边形NaCl与金刚石衬底的强结合,并且它具有较宽带隙,它有望在金刚石场效应晶体管中起到良好的栅介电质的作用,而场效应晶体管在电动汽车、雷达和通信设备中都具有令人期待的应用潜力。目前的场效应晶体管通常使用的是六边形氮化硼,它具有相似的带隙,但与衬底的结合较弱。

这项结果说明,二维材料的领域还很年轻,科学家只发现了一小部分具有有趣性质的可能的材料。对NaCl这种简单而常见的化合物来说,我们看似已经有了很深入的了解,但它仍隐藏了许多有趣的现象,特别是在纳米尺度上。

研究的主要作者Alexander Kvashin表示,这项工作也让科学家更进一步了解了如何利用衬底控制二维材料的外观和性质,并为更多在电子及其他领域具有潜在应用前景的二维材料打开了大门。“这项工作是我们朝着寻找新材料的方向迈出的第一步,有望找到具有更高的稳定性的材料,比如溶解度更低或者热稳定性更高的材料。这些材料可以在电子领域中大放异彩。”

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