在石墨烯夹层内不可能材料成为可能

诸平

A single layer of cuprous iodide encapsulated in between two sheets of graphene (gray atoms). Credit: Kimmo Mustonen, Christoph Hofer and Viera Skákalov

据奥地利维也纳大学（University of Vienna）2022年1月20日报道（Materials），多国科学家合作在石墨烯夹层内合成了在通常条件下不可能合成的材料碘化亚铜（CuI）（Impossible material made possible inside a graphene sandwich）。

原子通过共用电子而结合在一起。这种情况发生的方式既取决于原子类型，也取决于温度和压力等条件。在二维材料(如石墨烯)中，原子沿着一个平面结合，形成只有一个原子厚度的结构，这导致了由量子力学决定的迷人的性质。维也纳大学的研究人员与德国杜滨根大学（University of Tuebingen）、比利时安特卫普大学（University of Antwerp）、法国CY塞尔吉-巴黎大学（CY Cergy Paris Université）、法国巴黎萨雷大学（Université Paris-Saclay, France）以及斯洛伐克首都伯拉第斯拉瓦的达努比亚纳米技术公司（Danubia NanoTech s.r.o. Bratislava, Slovakia）、电工研究所（Institute of Electrical Engineering, SAS, Bratislava, Slovakia）合作，生产了一种新的二维材料，由铜和碘原子夹在两层石墨烯层之间制成。相关研究结果于2021年12月7日已经在《先进材料》（Advanced Materials）杂志网站上发表——Kimmo Mustonen, Christoph Hofer, Peter Kotrusz, Alexander Markevich, Martin Hulman, Clemens Mangler, Toma Susi, Timothy J. Pennycook, Karol Hricovini, Christine Richter, Jannik C. Meyer, Jani Kotakoski, Viera Skákalová. Toward Exotic Layered Materials: 2D Cuprous Iodide. Advanced Materials, 2022; 2106922 DOI: 10.1002/adma.202106922. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202106922

新材料的设计既可以提高已知应用的效率，也可以实现以前现有材料无法实现的全新应用。事实上，数以万计的传统材料，如金属和它们的合金，在过去的一百年中已经被鉴定出来。类似数量的可能的2D材料已经被预测存在，但到目前为止，只有一小部分在实验中被生产出来。造成这一现象的原因之一是许多这种材料在实验室条件下不稳定。

在最近的研究中，研究人员合成了稳定在石墨烯夹层中的二维碘化亚铜（CuI），作为在正常实验室条件下不存在的材料的第一个例子。这种合成利用了氧化石墨烯多层膜的大层间距，这使得碘和铜原子扩散到缝隙中并生长出新的材料。这里的石墨烯层有一个重要的作用，对夹层材料施加高压，从而使其变得稳定。所得到的夹层结构如上述图所示。

该研究的第一作者基莫·穆斯托宁（Kimmo Mustonen）说:“和往常一样，当我们第一次在显微镜图像中看到这种新材料时，我们感到很惊讶。我们花了很长时间才弄清楚这个结构到底是什么。”“这使我们能够与Viera Skákalová领导的达努比亚纳米技术公司合作，设计出一种大规模生产它的化学过程。”他继续说道。

维也纳大学、杜滨根大学、安特卫普大学CY塞尔吉-巴黎大学的科学家们共同努力研究了这种结构。“我们必须使用几种电子显微镜技术，以确保我们确实看到了铜和碘的单层，并提取出精确的3D原子位置，包括我们最近开发的最新方法，”第二主要作者克里斯托弗·霍费尔（Christoph Hofer）补充道。

继二维CuI之后，研究人员已经扩展了合成方法，以生产其它新的二维材料（2D materials）。基莫·穆斯托宁总结说：“这种方法似乎非常普遍，提供了许多新的2D材料。这是一个真正令人兴奋的时代。”

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Abstract

Heterostructures composed of 2D materials are already opening many new possibilities in such fields of technology as electronics and magnonics, but far more could be achieved if the number and diversity of 2D materials were increased. So far, only a few dozen 2D crystals have been extracted from materials that exhibit a layered phase in ambient conditions, omitting entirely the large number of layered materials that may exist at other temperatures and pressures. This work demonstrates how such structures can be stabilized in 2D van der Waals (vdw) stacks under room temperature via growing them directly in graphene encapsulation by using graphene oxide as the template material. Specifically, an ambient stable 2D structure of copper and iodine, a material that normally only occurs in layered form at elevated temperatures between 645 and 675 K, is produced. The results establish a simple route to the production of more exotic phases of materials that would otherwise be difficult or impossible to stabilize for experiments in ambient.