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在ZrB2/Si基板上制備的Silicene的示意圖
日本北陸先端科學技術大學院大學（JAIST）的研發(fā)小組在形成二硼化鋯（ZrB2）薄膜的Si基板上，制成了硅（Si）原子呈蜂窩構造的二維片狀材料“Silicene”。并在2011年3月舉行的美國物理學會（American Physical Society）進行了論文發(fā)布。
　　Si與構成石墨烯的碳原子（C）在周期表中屬于同族，也就是說雙方的化學性質相近，可獲得的結晶構造也相似。例如，金剛石和塊狀Si的原子均通過“金剛石構造”鍵合。還有可稱為Si版有機物（碳化氫）的“聚硅烷（Polysilane）”等。在這種情況下，甚至出現(xiàn)了以“生命的基本元素是Si而非C”為內容的科幻小說（參閱相關博客）。
　　不過，目前尚未確認類似由C構成的石墨、石墨烯、碳納米管以及乙烯等原子間存在雙鍵的Si物質分子在自然界中存在。理由是Si原子的大小超過C，Si原子間的距離大于C，因而雙鍵的穩(wěn)定性較差。還有人發(fā)表了Si版富勒烯“Si60”無法穩(wěn)定存在的論文。
　　而從理論上來說，Si版石墨烯和碳納米管在理論上是可能存在的，而且已知可在一定條件下制備出來。首先，1994年日本NTT物性科學基礎研究所發(fā)表了理論論述采用蜂窩構造的Si材料穩(wěn)定性的論文。2005年，理論上預測“Si納米管”存在。豐田中央研究所在2006年成功制備出了雖然是鎂（Mg）與氧（O）鍵合，但卻類似于Silicene的材料“硅納米片”（參閱論文）。
　　“Silicene”這一名稱是美國俄亥俄州的萊特州立大學（Wright State University）的學生在2006年的碩士論文中提出來的。而實際制出Silicene的卻是法國研究機構CINaM的研發(fā)小組，他們于2008年在Ag基板上通過外延生長制備成功了Silicene（參閱論文）。
　　此次，JAIST副教授高村（山田）由起子的研發(fā)小組，在ZrB2薄膜/Si基板上通過外延生長制備了Silicene。JAIST的高村（山田）表示，“我們從幾年前開始研究氮化物，在這個過程中，偶然發(fā)現(xiàn)可以制成Silicene”。
　　Si基板的尺寸為10mm×20mm。ZrB2采用和石墨烯同為蜂窩構造的B層，與Zr以三角形網(wǎng)狀鍵合的層相互重疊的結晶構造。JAIST表示，“Silicene的晶格常數(shù)與ZrB2非常一致”。
還存在位于石墨烯和金剛石之間的中間狀態(tài)
據(jù)JAIST介紹，Silicene與石墨烯存在以下幾項不同之處。（1）Silicene的原子是Si而非C；（2）尚未確認Silicene是否可在絕緣基板上進行制備，以及是否可以脫離基板作為單體穩(wěn)定存在；（3）Silicene中負責原子間鍵合的電子，可以連續(xù)獲得sp3混合軌道與sp2混合軌道之間的中間狀態(tài)；（4）Silicene并非完全為平面狀，而是相鄰原子相互呈波浪“Buckled（彎曲）”形狀時更為穩(wěn)定。
　　關于（2），迄今制備過Silicene的Ag基板自不用說，此次JAIST在制備Silicene時采用的ZrB2薄膜/Si基板也具有導電性。要想與石墨烯一樣用作晶體管的溝道層，就必須能夠在絕緣層上進行制備或轉印。
　　另外，（3）意味著有可能采用金剛石構造與石墨烯構造之間的中間構造自由制備出Si材料。采用接近石墨烯的構造時，“預計電子狀態(tài)也會與石墨烯一樣（電子的有效質量為零），形成狄拉克錐（Dirac Cone）結構”（高村（山田））。金剛石構造材料是半導體中采用的塊狀Si，因此如果能夠采用兩種構造的中間狀態(tài)制出Si材料，那么基于Si的半導體技術就有可能會得到大范圍的推廣。
　　（4）中的彎曲形狀“在接近石墨烯構造時趨于平面，在接近金剛石構造時，彎曲程度會增加”（JAIST）。（記者：野澤 哲生）