自從2004年科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)石墨烯以來,一股研究石墨烯的浪潮席卷全球。石墨烯是只有一個碳原子厚度的二維材料,它不僅是已知材料中最薄的一種,還非常牢固堅硬,而且導(dǎo)電性能極好,大多數(shù)科學(xué)家都認為石墨烯這種納米材料能被用來制造更纖薄、速度更快的電子設(shè)備,有望徹底改變計算、電子和醫(yī)藥等領(lǐng)域的現(xiàn)狀。
但是,也有科學(xué)家偏偏不讓石墨烯專美。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日報道,有幾個科研團隊宣稱,他們已經(jīng)研制出了同樣纖薄的、僅為一個硅原子厚的硅樹脂(silicene),而且他們認為,與石墨烯相比,硅樹脂的應(yīng)用潛力毫不遜色,也有助于科學(xué)家們研制出更小更快的電子設(shè)備。不過,關(guān)于誰最先合成出了硅樹脂,科學(xué)界也引發(fā)了不少的爭議。
硅樹脂不遜于石墨烯
在電子學(xué)領(lǐng)域,小即是快??茖W(xué)家們都在絞盡腦汁讓傳統(tǒng)的基于硅的電子設(shè)備變得越來越小,但當(dāng)這些設(shè)備接近單原子尺寸這一極限時,都紛紛開始出現(xiàn)故障。因此,制造商們需要找到解決辦法以便未來研制出運行速度更快的電子設(shè)備。他們表示,由于硅樹脂和石墨烯都是二維結(jié)構(gòu),都能在單原子尺寸工作,因而硅樹脂有望成為他們的救星。
美國俄亥俄州代頓市萊特州立大學(xué)物理和電子工程系主任洛克·溫雷彥(音譯)說:硅樹脂有望將人們帶往最終的尺寸極限,因此它無比重要。2007年,他創(chuàng)造出了silicene這一術(shù)語。
溫雷彥表示,與石墨烯相比,硅樹脂的優(yōu)勢在于其擁有獨特的結(jié)構(gòu)。在硅樹脂內(nèi),幾個硅原子分布于主二維表面的上下方,而且,在上下這兩個區(qū)域內(nèi)的電子擁有不同的能級,施加電壓可使電子越過該能隙,并讓硅樹脂能在開和關(guān)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變。
這樣,由硅樹脂制成的電子設(shè)備能可靠地展示出晶體管(計算機的基礎(chǔ)元件)具有的關(guān)鍵的開—關(guān)功能?,F(xiàn)在,石墨烯已經(jīng)搶先一步,在這一領(lǐng)域取得了不少突破,正以潤物細無聲的姿態(tài),慢慢成為制造晶體管的基礎(chǔ)元件。
法國艾克斯馬賽大學(xué)的蓋伊勒內(nèi)表示:電子工業(yè)目前正在從以硅為主朝以碳(石墨烯)為主的方向轉(zhuǎn)變,從理論上而言,轉(zhuǎn)到石墨烯非常好,但也非常復(fù)雜。
勒內(nèi)解釋說,因為目前制造電子設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)施都是以硅為基礎(chǔ),是否全心全意擁抱石墨烯,讓其成為日后研制超快速處理器的基礎(chǔ),在這一點上,電子設(shè)備的制造商們非常猶豫,而硅樹脂則生逢其時,為制造商們提供了極富吸引力的應(yīng)用前景。
勒內(nèi)表示,他和同事首次合成出了硅樹脂,研究論文發(fā)表在《物理評論快報》雜志上。接下來他們將研究如何用硅樹脂來制造晶體管,并希望能在未來兩年左右時間內(nèi)研制出第一個硅樹脂晶體管。
硅樹脂之父有爭議
盡管勒內(nèi)團隊宣稱他們首先合成出了硅樹脂,但這一說法遭到了另外一些科研團隊的駁斥。
據(jù)報道,中國和日本的研究團隊最近也宣稱合成出了硅樹脂,而且,早在2010年,就有一個科研團隊在年末出版的《應(yīng)用物理學(xué)快報》雜志上表示,他們首次合成出了硅樹脂。不過,勒內(nèi)表示,2010年的研究提供的證據(jù)并沒有他領(lǐng)導(dǎo)的團隊提供的證據(jù)充分。
2010年研究論文的主要作者之一、美國中佛羅里達大學(xué)專門研究硅樹脂的理論物理學(xué)家阿布德卡德卡拉表示:勒內(nèi)想成為硅樹脂之父,但實際上他不是。
盡管卡拉團隊宣稱他們在2010年就已經(jīng)合成出了硅樹脂,但是,他們僅僅使用了一種檢測方法來證明自己的結(jié)論,那就是掃描隧道顯微鏡(STM)拍攝的圖片。掃描隧道顯微鏡依靠量子力學(xué)效應(yīng)來提供原子層面的圖像,能比普通顯微鏡提供更多細節(jié)。
勒內(nèi)團隊認為,這樣的圖像具有一定的欺騙性,2010年的研究結(jié)果并不能證明卡拉團隊合成出了硅樹脂。
勒內(nèi)指出,大多數(shù)研究硅樹脂的科學(xué)家都嘗試在銀上種植硅樹脂,因為銀原子和硅原子之間的相互作用并不強,盡管這一方法能使硅樹脂在銀基座上獨立成型,但可能很難將真正的硅樹脂薄片和銀結(jié)構(gòu)區(qū)分開來。
勒內(nèi)研究團隊的另一名領(lǐng)導(dǎo)者、德國柏林工業(yè)大學(xué)的硅樹脂專家帕特里特沃格特說:在銀的表面有些具有欺騙性的東西,銀表面能模擬看似硅樹脂的蜂巢表面,但是,真正的硅樹脂結(jié)構(gòu)看起來卻并非這樣。
不過,卡拉也反駁稱,他們有足夠的證據(jù)表明,他們于2010年就合成出了硅樹脂。證據(jù)包括:銀原子本身如何在一個角度與銀基座對齊;另外,銀表面本身無法形成顯微鏡圖像揭示出的蜂巢結(jié)構(gòu)。
卡拉辯稱:掃描隧道顯微鏡圖像當(dāng)然具有欺騙性,但我們進行了非常認真的檢查,因此,論文才得以被接受并發(fā)表。
然而,勒內(nèi)和沃格特卻對卡拉團隊的回答不滿意。為了確保他們已經(jīng)真的制造出了硅樹脂,他們采用幾種方法對得到的樣本進行了分析。他們測量了其電性和化學(xué)性質(zhì),并將實際得到的圖片同理論預(yù)測進行了比較。勒內(nèi)表示,需要多個不同的證據(jù)來源才能證明真正合成出了硅樹脂。
另外,該團隊也發(fā)現(xiàn),與2010年的結(jié)果相比,他們觀察到的硅原子的距離與理論預(yù)測更吻合。
卡拉認同勒內(nèi)團隊在硅樹脂研究領(lǐng)域取得了重要的進步,但他表示,勒內(nèi)團隊還不足以成為硅樹脂之父,他們才應(yīng)該是。
溫雷彥并不屬于卡拉團隊,也不屬于勒內(nèi)團隊。他承認,2010年的結(jié)論和理論預(yù)測之間還存在著不少差異,因此目前還并不清楚誰最先合成出了硅樹脂,而且聲稱合成出硅樹脂的研究團隊越來越多,讓這一爭論變得更加復(fù)雜。
實際應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)
盡管還不確定誰最先合成出了硅樹脂,但研究人員對接下來的研究思路卻達成了一致意見。他們表示,為了完全利用硅樹脂的性能,物理學(xué)家們需要將硅樹脂種植在一個并不會像銀那樣導(dǎo)電的絕緣材料上。一旦硅樹脂能被種植在絕緣體上,科學(xué)家們將更容易研制出硅樹脂半導(dǎo)體和其他設(shè)備。
勒內(nèi)表示,硅樹脂設(shè)備可以用來顯著增加處理速度,但相關(guān)研究還面臨著一些比較大的挑戰(zhàn)。他說從目前取得的成就到實際應(yīng)用還有很長的路要走。