石墨烯是碳原子構成的單層二維蜂窩狀晶格結構的一種碳質材料。矽烯是最薄的二維形式的矽，而鉛烯具有鉛原子構成的二維晶格結構。因為它們具有可能對物理學和工程學的未來產生重大影響的重要特性，所以研究人員努力地研究他們。

什麼是石墨烯？

石墨烯是一種二維的單層碳原子晶格，是其他石墨材料的基本材料。一毫米石墨有大約三百萬層石墨烯。Konstantin Novoselov和Andre Geim在2004年發現，石墨烯屬於一種稱為二維（2D）材料的新型材料。

特徵

這種“神奇的材料”是人類已知的最強材料。石墨烯比橡膠更有彈性，比鋁更輕（1平方米重約0.77mg），比金剛石和鋼更硬（在相同密度和抗拉強度下，石墨烯比結構鋼強100至300倍）。石墨烯具有其他顯著特徵：

石墨烯是完全不透水的（對氣體也是如此）；它非常薄：比人發薄10萬倍；它是室溫下最好的導熱體；它有一個2630 m的比表面積，3克可以覆蓋一個足球場；它的導熱性是金剛石的兩倍，並且防水；它是最著名的導體，比銅強10倍以上；它是純碳且自然存在（因此是環保的）；它的電遷移率比矽快100倍；它具有光學透明性，可吸收2.3％的反射光。

石墨烯材料特徵的草圖。 圖片由SketchW

石墨烯是最有前途的奈米材料之一。其卓越的效能使其在生物裝置、電子裝置到感測器和光學中廣泛應用。它也是目前研究最多的材料之一，可替代像矽這樣的材料。然而，這種超級材料的大批次生產仍然很昂貴，這限制了它在大規模生產產品中的使用。因此，石墨烯還沒有在消費品中得到應用。

矽烯

矽烯相當於石墨烯的矽，是最薄的二維形式的矽。它是矽的同素異形體，就像石墨烯是碳的同素異形體一樣，並且僅由矽原子組成（單原子）。與石墨烯等其他二維材料不同，矽烯並不是嚴格意義上的平面材料：它具有彎曲的蜂窩表面——原子排列在主“面板”的上方和下方，從而形成帶隙。

矽烯的第一個結構是在銀晶體上觀察到的，它們具有類似石墨烯的六角形，但並不完全平坦。在Aix Marseille大學和柏林技術大學的聯合研究中，研究人員透過將矽蒸氣冷凝在銀上，創造出了分離的矽烯。

掃描隧道顯微鏡下矽烯生長照片。圖片由

與其他二維材料相比，矽烯沒有得到廣泛的研究和生產，因為它比石墨烯等二維材料更難製造：它的三維形態是類似金剛石晶格。矽烯必須從一開始就合成，不能像石墨烯那樣“拉出”一堆緊密固定的二維層：矽往往會形成三維結構，而二維矽往往會彎曲。因此，矽氧烷不能透過剝離產生，而只能透過外延生長生成。自2012年以來，在銥、銀、二硫化鉬等多種基體表面合成了矽烯單分子層。

矽烯與石墨烯

與石墨烯不同，矽烯不太依賴於π電子，因此不依賴於π—堆積機制；矽烯不完全是平面的。它具有像石墨烯一樣的六角形原子圖案，但由於它的“椅形”結構，這些六角形環有褶皺彎曲；矽烯具有帶隙，使其適用於新型電晶體。另一方面，石墨烯是半金屬，沒有任何帶隙；與石墨烯相比，矽烯更便於整合到電子裝置中，特別是對於更小和更便宜的電子裝置。這是因為它可以很容易地整合到矽晶片生產線中。

特徵

透過在放熱反應中加入氫，可以將矽烯轉化為矽烷；其電子特性與石墨烯相似，它與所觀察到的狄拉克電子色散相同；它和石墨烯一樣堅固，可用於鋰離子電池的陽極。矽烯的容量將是陽極的兩倍，其強度可防止其在充放電過程中發生變化；矽烯具有較強的自旋軌道耦合，可以在實驗溫度下產生量子自旋霍爾效應。

在很長一段時間內，矽烯僅限於推測。然而，2011年進行的密度泛函理論（DFT）計算表明，矽烯將適用於FET（場效應電晶體）應用。其能帶隙可以更精細地調整，使場效應電晶體在室溫下更好地工作。實際上，調整二位狄拉克點的可能性意味著矽烯可以與現有的矽技術一起使用，因為它具有新穎的性質，主要是各種量子自旋效應。

矽烯具有蜂窩狀屈曲晶格結構，利於自旋，是一種適宜的鐵磁性材料。矽自旋電子學是一個廣泛的研究領域，在自旋濾波器、自旋場效應電晶體和氣體感測器等領域具有潛在的應用前景。然而，矽烯具有高反應活性，這限制了其使用，也使它更難製造獨立的矽烯片。在大多數情況下，矽烯將與交替的金屬單層堆疊作為基底層的一部分。

鉛烯顯微照片。圖片由名古屋大學提供。

鉛烯

鉛烯是一種二維蜂窩狀鉛原子片，就像矽烯一樣，它有一個彎曲的蜂窩結構和一個大的帶隙（-400 meV）。由Yuji Yuhara教授帶領的名古屋大學的研究人員首次讓純理論性的鉛基二維蜂窩狀材料鉛烯成為現實，他們的研究最初發表於5月初的《先進材料雜誌》 。 鉛烯是石墨烯的表親——它具有類似的結構，可以廣泛應用於拓撲絕緣體。在以往鉛烯的電子結構和拓撲特性的研究中，研究人員發現，鉛烯透過電子摻雜可以成為具有大帶隙（-200 meV）的拓撲絕緣體。

差異

鉛烯應該具有量子自旋霍爾效應，這甚至在室溫以上也是可能的。這在石墨烯這樣的二維材料中是無法實現的。因此，找到一種廉價而可靠的合成鉛烯的方法至關重要；由第14族元素構成的二維材料鉛烯具有最大的自旋軌道相互作用。這使其成為一個強大的二維拓撲絕緣體。

鉛烯是如何製造的？

鉛烯是由一種超薄鉛在鈀上退火而成。退火是一種加熱和緩慢冷卻物質以去除內應力的方法。掃描隧道顯微鏡(STM)顯示，透過退火，研究人員得到了一種具有獨特的蜂窩結構的二維單層的表面材料。在這個實驗中，研究人員發現了一種副產品：鈀鉛（Pd-Pb）合金薄膜，其結構類似於Denis Weaire在1993年設計的複雜的三維威爾—費倫結構。威爾—費倫結構有助於解決“凱文問題”。2008年，北京奧運會比賽場館國家游泳中心“水立方”的設計靈感就來源於“威爾—費倫”結構。

鉛烯為何如此重要？

鉛烯除了是像石墨烯和矽質這樣的二維材料之外，還有自旋，因為它是理想的拓撲絕緣體，並且在這三種材料中具有最大的自旋軌道相互作用與最大的帶隙。這使得鉛烯成為一個強大的二維拓撲絕緣體，其中量子自旋霍爾效應可能已經發生。鉛烯可以徹底改變拓撲絕緣體的發展。根據Yuhara的說法，鉛烯的到來是一個好訊息，與它有關的應用開發將掀起新的熱潮。

鉛烯具有鉛原子構成的二維晶格結構，是一種二維蜂窩狀鉛原子片；矽烯是最薄的二維形式的矽，相當於石墨烯矽，具有彎曲的蜂窩表面；石墨烯是碳原子構成的單層二維蜂窩狀晶格結構的一種碳質材料，完全透氣不透水，而且非常簿。