From Glaphene to Glaphynes: A Hybridization of 2D Silica Glass and Graphynes
受近期实验实现石蜡烯（glaphene）的启发，本研究提出并研究了一类被称为“石蜡炔”（glaphynes）的新型杂化二维材料，该材料通过将二维二氧化硅玻璃堆叠在各种石墨炔之上形成，证实了其结构稳定性，并证明电子近邻效应可以在某些配置而非所有配置中开启带隙。
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现代材料科学领域正日益聚焦于极薄、极平且极小的微观世界。长期以来，科学家们一直对二维材料深感着迷，这些材料是如此薄的原子层，本质上就是平坦的表面。其中最著名的便是石墨烯——一种由碳原子排列成蜂窝状构成的单层结构，它不仅强度极高，而且导电性能极佳。然而，石墨烯存在一个局限性：它的导电性太好，以至于无法轻易被“关闭”，而这一特性对于制造计算机芯片内部的开关至关重要。为了解决这个问题，研究人员正在寻找将石墨烯与其他材料结合以创造新特性的方法。一种极具前景的策略涉及将不同的原子层堆叠在一起，这种技术允许科学家设计出具有特定行为的新材料，而这些行为是任何单一层本身都不具备的。最近，一组研究人员发现，将一层类似玻璃的二氧化硅堆叠在石墨烯之上，可以创造出一种具有控制电流能力的新材料，从而有效地将导体转变为半导体。这一发现开启了一扇大门，让人开始探究同样的技巧是否也能应用于其他更复杂的碳层。
在这一近期突破的基础上，来自巴西和美国的科学家团队探索了一个被称为“glaphyne”（硅基石墨炔）的新型材料家族。这些结构是通过将一层二氧化硅（本质上是一种二维形式的玻璃）堆叠在不同类型的石墨炔之上而形成的。石墨炔是石墨烯的近亲，但它们不像石墨烯那样只有简单的蜂窝结构，而是含有通过三键连接的额外碳原子，从而形成了一种带有微小孔隙或孔洞的结构。研究人员重点研究了三种特定的石墨炔变体，即 、 和 型，每种变体都有不同的孔洞和键合排列方式。利用强大的计算机模拟，该团队构建了这些堆叠结构的模型，以观察它们是否能够保持稳定，以及它们的电学性质会发生怎样的变化。其目标是确定仅仅通过在这些多孔碳层之上放置一层玻璃层，是否可以有控制地改变其导电能力。
模拟结果显示，这些新型混合结构是稳定的，并且很可能可以在真实的实验室中构建。研究人员发现，二氧化硅层舒适地坐落在石墨炔层之上，两层中的原子都会进行微调以相互契合。在 型和 型版本中，电学行为与原始石墨炔层非常相似，仅有细微变化。然而， 型版本展现出了剧烈的转变。当二氧化硅层被放置在 型石墨炔之上时，材料从一种让电流自由流动的导体转变为具有 1.16 电子伏特特定能隙的半导体。这个能隙是电子器件中的关键特征，因为它允许材料在导电和非导电状态之间进行切换。团队还观察到， 结构中的原子在硅（玻璃中的成分）与碳（石墨炔中的成分）之间形成了新的化学键，这有助于将各层锁定在一起并驱动这种电学行为的变化。
对这些材料内原子振动的进一步分析提供了强有力的证据，表明这些层之间存在深度的相互作用，而不仅仅是松散地堆叠在一起。研究人员寻找了硅、氧和碳原子之间形成化学键的具体迹象。他们在 结构中发现了清晰的信号，表明这些元素之间存在强连接，证实了这些层在化学上是相互关联的。这种相互作用在另外两种版本中并不显著，这也解释了为什么它们没有经历同样剧烈的电学转变。研究还检查了电子在这些材料中的运动方式。在 版本中，电子被发现更加局部化，或者说被限制在特定区域，这表明该材料可以针对特定的电子任务进行调控。而另外两种版本则允许电子更自由地移动，类似于它们原始的形式。
研究结果表明，电子邻近效应（即一种材料仅仅通过靠近另一种材料就能影响其性质的方式）可以被用来设计这些混合层的特性。虽然这种效应成功地在 结构中打开了一个能隙，但对于 或 版本却并未奏效，尽管在所有情况下都形成了化学键。这表明，结果在很大程度上取决于底层碳层的具体排列方式。这项研究强调，通过仔细选择使用的石墨炔类型，科学家们有可能设计出具有精确电学特性的材料。这些 glaphyne 结构未来可能成为新型纳米电子器件、半导体或催化剂的基础，在这些领域，控制电流的流动至关重要。这项工作证明，通过堆叠原子层是创造出具有不同于其组成部分之独特属性的材料的一种强大工具，为设计下一代技术提供了一条新路径。
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