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頂尖對決:石墨烯 vs. 石墨炔

根據德國科學家的理論模擬計算,神奇材料石墨烯(graphene)即將棋逢對手─石墨炔(graphyne)。石墨炔為石墨烯的同素異構物,兩者皆為單原子厚的平面碳材料,不同的是,石墨烯為蜂巢晶格(honeycomb lattice)結構,而石墨炔則能具有數種不同的二維結構。

石墨烯優異的電子特性源自於獨特的能帶結構,其傳導帶與共價帶在低能處呈現兩個名為迪拉克錐(Dirac cone)的對稱錐形,並在費米能階(the Fermi level)上以線性相交於一點,因此傳導載子的等效動能直接正比其動量。這種不尋常的動能—動量關係原先僅見於無靜止質量的光子中,非相對論性運動下的電子和其他物質粒子的動能則是與動量平方成正比。換言之,石墨烯中的電子行為類似無靜止質量的相對論性粒子,能以極高的速度在材料內運動,因此可以用來製作超快電晶體。

過去研究人員認為迪拉克錐僅存在於呈蜂巢晶格結構的石墨烯中,但最近 Erlangen-Nürnberg 大學的 Andreas Gorling 以密度泛函理論(density functional theory)計算發現,名為石墨炔的新材料亦擁有這種能帶特徵。

不同於石墨烯的雙鍵結構,石墨炔中的碳有雙鍵及三鍵,因此能形成六角晶格之外的幾何結構。 Gorling 等人利用密度泛函理論計算三種石墨炔的結構,分別是 α-graphene、β-graphene 以及 6,6,12-graphyne,前兩者具有六角結構,後者則為矩形晶格,結果發現三種石墨炔皆擁有迪拉克錐。

上圖依序為 (a) graphene (b) α-graphyne (c) β-graphyne (d) 6,6,12-graphyne。圖片來源:nanotechweb.org

Gorling 表示,6,6,12-graphyne 的特性甚至可能優於石墨烯,原因是有別於石墨烯的等向性(isotropic),矩形對稱性使得電子性質與方向有關,例如導電值會受電流方向影響,未來有機會應用於奈米電子元件上。再者,石墨炔在費米能上下附近具有兩個不同的迪拉克錐,這表示石墨炔為「自我摻雜」(self-doped),天生就具有電荷載子,不像石墨烯需要額外摻雜,因此能做為製作電子元件所需的半導體材料用。

目前石墨炔的樣品數目極少,因此研究人員希望此理論計算結果可以激發更多科學家製作石墨炔樣本並實際測量。詳見 Phys. Rev. Lett. 108, 086804 (2012)。

譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:Could graphynes be better than graphene? —nanotechweb.org [2012-03-01]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-04-29]

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