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[導(dǎo)讀]最近,美國俄克拉荷馬大學(xué)科學(xué)家提出,石墨烯可能還有一類三維的異型體,它們屬于一個(gè)新家族。這些結(jié)構(gòu)有可能在實(shí)驗(yàn)中合成,其中最簡單的“超蜂窩”結(jié)構(gòu)擁有許多不尋常的性質(zhì),可能比金剛石更穩(wěn)定。相關(guān)論文發(fā)表在最近的《物理評(píng)論快報(bào)》上。

最近,美國俄克拉荷馬大學(xué)科學(xué)家提出,石墨烯可能還有一類三維的異型體,它們屬于一個(gè)新家族。這些結(jié)構(gòu)有可能在實(shí)驗(yàn)中合成,其中最簡單的“超蜂窩”結(jié)構(gòu)擁有許多不尋常的性質(zhì),可能比金剛石更穩(wěn)定。相關(guān)論文發(fā)表在最近的《物理評(píng)論快報(bào)》上。

 

石墨烯是一種單層六角形的2D結(jié)構(gòu),每個(gè)碳原子與其他3個(gè)碳原子相連。這種“平面三角連接”賦予它許多獨(dú)特的屬性,尤其是電學(xué)性質(zhì),使其成為一種卓越的半導(dǎo)體材料。石墨烯的三角連接會(huì)產(chǎn)生不尋常的現(xiàn)象:造成電子的能量隨其動(dòng)量呈線性變化,使電子出現(xiàn)類似接近光速運(yùn)動(dòng)的行為。迪拉克方程描述了這種相對(duì)論電子,所以電子產(chǎn)生這種行為時(shí)的動(dòng)量值被稱為“迪拉克點(diǎn)”。大部分材料結(jié)構(gòu)都沒有迪拉克點(diǎn)。這種線性行為會(huì)大大影響電子分布和它們與晶格振動(dòng)之間的相互作用。

研究人員想知道,把碳基平面三角結(jié)構(gòu)上的迪拉克點(diǎn)擴(kuò)展到三維空間,形成迪拉克環(huán)會(huì)怎樣。實(shí)驗(yàn)中至今尚未觀察到迪拉克環(huán),只是預(yù)測(cè)其存在于少數(shù)精微材料中。分析認(rèn)為,當(dāng)三角連接碳原子鏈互相垂直堆疊時(shí),理論上可以形成迪拉克環(huán)。這種排列不同于石墨,石墨雖然也是3D結(jié)構(gòu),但是一層層堆疊的。而垂直堆疊鏈有許多不同的維度,因?yàn)榉涓C六角形在垂直和水平結(jié)合方式上有多種可能。如最簡單的超蜂窩結(jié)構(gòu),只有兩個(gè)碳原子互相垂直組成,其晶格有點(diǎn)像微小的雙面書架。

俄克拉荷馬大學(xué)基蘭·穆倫說:“我們的研究有兩層含義。首先,這是第一個(gè)展示迪拉克環(huán)的簡單系統(tǒng)。迪拉克環(huán)是電子系統(tǒng)中尚未見到的一種性質(zhì),對(duì)電子流經(jīng)系統(tǒng)的方式以及它們?cè)诖艌?chǎng)中的行為都有很大影響。其次,這一系統(tǒng)會(huì)帶來許多相關(guān)系統(tǒng),有些是其他碳結(jié)構(gòu),有些是類似的不同物理系統(tǒng),如冷氣體原子的光學(xué)晶格,還可能發(fā)現(xiàn)更多不尋常的性質(zhì)。”

3D結(jié)構(gòu)可能會(huì)讓超蜂窩同素異形體極其穩(wěn)定,甚至超過金剛石和石墨。穆倫說:“我們正在嘗試計(jì)算其硬度(拉伸性)和強(qiáng)度(抗斷裂性)。”他們預(yù)計(jì),要合成這種碳同素異形體新家族是個(gè)很大挑戰(zhàn),但用目前的技術(shù)也是可能的。

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