石墨烯三维异型体 “超蜂窝”结构或比金刚石更稳定

最近，美国俄克拉荷马大学科学家提出，石墨烯可能还有一类三维的异型体，它们属于一个新家族。这些结构有可能在实验中合成，其中最简单的“超蜂窝”结构拥有许多不寻常的性质，可能比金刚石更稳定。相关论文发表在最近的《物理评论快报》上。

 

石墨烯是一种单层六角形的2D结构，每个碳原子与其他3个碳原子相连。这种“平面三角连接”赋予它许多独特的属性，尤其是电学性质，使其成为一种卓越的半导体材料。石墨烯的三角连接会产生不寻常的现象：造成电子的能量随其动量呈线性变化，使电子出现类似接近光速运动的行为。迪拉克方程描述了这种相对论电子，所以电子产生这种行为时的动量值被称为“迪拉克点”。大部分材料结构都没有迪拉克点。这种线性行为会大大影响电子分布和它们与晶格振动之间的相互作用。

研究人员想知道，把碳基平面三角结构上的迪拉克点扩展到三维空间，形成迪拉克环会怎样。实验中至今尚未观察到迪拉克环，只是预测其存在于少数精微材料中。分析认为，当三角连接碳原子链互相垂直堆叠时，理论上可以形成迪拉克环。这种排列不同于石墨，石墨虽然也是3D结构，但是一层层堆叠的。而垂直堆叠链有许多不同的维度，因为蜂窝六角形在垂直和水平结合方式上有多种可能。如最简单的超蜂窝结构，只有两个碳原子互相垂直组成，其晶格有点像微小的双面书架。

俄克拉荷马大学基兰·穆伦说：“我们的研究有两层含义。首先，这是第一个展示迪拉克环的简单系统。迪拉克环是电子系统中尚未见到的一种性质，对电子流经系统的方式以及它们在磁场中的行为都有很大影响。其次，这一系统会带来许多相关系统，有些是其他碳结构，有些是类似的不同物理系统，如冷气体原子的光学晶格，还可能发现更多不寻常的性质。”

3D结构可能会让超蜂窝同素异形体极其稳定，甚至超过金刚石和石墨。穆伦说：“我们正在尝试计算其硬度(拉伸性)和强度(抗断裂性)。”他们预计，要合成这种碳同素异形体新家族是个很大挑战，但用目前的技术也是可能的。