石墨烯三維異型體 “超蜂窩”結(jié)構(gòu)或比金剛石更穩(wěn)定

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。