近日，英国曼彻斯特大学物理学与天文学院的安德烈·格伊姆教授和科斯特雅·诺沃塞洛夫博士，在石墨烯基础上开发出一种具有突破性的新材料——石墨烷。他们用纯净的石墨烯和氢制备出了一种具有绝缘性能的二维晶体石墨烯衍生物——石墨烷。该方法也同样适用于制备出其他基于石墨烯的超薄材料，这些新型超薄材料具有不同导电性能。相关研究结果发表在1月30日出版的美国《科学》杂志上。

 

    从石墨烯到石墨烷

 

    研究人员在不破坏石墨烯独特的六角形晶格结构和单原子厚度的情况下，在每个碳原子上都增加了一个氢原子，从而制备出了具有新特性的石墨烯衍生物——石墨烷。研究人员称，虽然纯净石墨烯的化学性质极为稳定，但他们发现，氢原子可与其发生反应，将高度导电的石墨烯材料变成了绝缘特性的石墨烷新材料。该实验证明了可以通过化学方法改变石墨烯的性能，这为制备其他基于石墨烯的化学衍生物铺平了道路。

    科斯特亚·诺维塞洛维说：“石墨烯是一种极佳的导体，可被广泛的应用于诸多电子设备当中，如果可以通过化学方法按人们的需要控制其电子性能，那将具有更为诱人的应用前景。我们的工作已经证明了这种方法的可行性，已经打开制造石墨烯化学衍生物的闸门，这将进一步拓宽石墨烯的应用空间。”

 

    新型半导体材料将问世

 

    安德烈·海姆和科斯特亚·诺维塞洛维曾在2004年首次制备出石墨烯。纯净的石墨烯是一种只有一个原子厚的结晶体，具有超薄（一个原子厚度）、超坚固和超强导电性能（电子通过率几乎达到100%）等特性，在2004年被安德烈·海姆和科斯特亚·诺维塞洛维研制成功并首次公布后，石墨烯立即成为材料学和物理学领域的研究热点，科学界认为石墨烯极有可能取代硅而成为未来的半导体材料，具有非常广阔的应用前景。而此次利用石墨烯制成石墨烷这一新突破无疑再次拓展了人们的想象空间。

    石墨烯的独特电子特性使研究人员得以开发出新的材料，制造出尺寸更小、速度更快的晶体管。然而，由于电子能谱中能隙的缺乏，科学家为此被迫使用基于石墨烯的复杂结构。而曼彻斯特大学研究人员通过将纯净的石墨烯暴露在原子化的氢中制成了高品质的石墨烷晶体，这种方法揭示了可基于石墨烯制造出许多其他超薄晶体材料。

    2008年，研究人员已经根据石墨烯独特的电子性能开发出与传统的硅材料相比，体积更小、速度更快的石墨烯晶体管。然而，为了弥补电子光谱中的能量缺陷，科学家们不得不使用相当复杂的以石墨烯为基础结构如量子点和量子原子团来达到目的。而这项新研究发现，石墨烯可被修改成新的材料以微调其电子性能，这为其带来了更为丰富的可能性，也为未来电子设备的发展提供了一种真正多功能的材料。

    安德烈·海姆表示，现代半导体工业发展的时间表都证明了这样一种发展趋势：从绝缘体到半导体再到金属。但是如果有一种单一材料通过改变其性能而使其覆盖整个领域，这极有可能会带来一场半导体工业的变革。设想一下，未来的晶体管将会由纯净的具有高导电性的石墨烯晶圆和经过化学改进的具有半导体性能的石墨烯衍生物一起组成。