二维二氧化硅研究获得新进展

       北京高压科学研究中心董校和同济大学任捷老师组合作通过理论预测发现了三种新的二维二氧化硅结构。三种新的层状二氧化硅结构均表现出异常的负泊松比，由此而表现出异常而优良的力学性能。近日被《纳米快报》报道。


四种二维SiO2泊松比示意图

       二氧化硅是我们日常生活中最常见的材料，也是人类从石器时代开始使用的使用时间最长的材料。其中二氧化硅的一个最主要的应用为电容器中的介电材料。而电子学告诉我们，电介质越薄其电容就越大。因此对只有几个原子层厚度的二维二氧化硅材料的研究就具有重要意义。


       课题组通过遗传算法预测出了三种新型准二维的SiO2结构。计算发现三种结构都具有负泊松比的特殊性质。“我们日常生活中用到的材料都具有正的泊松比，这就意味着如果你延着一个方向拉伸，在另一个方向上会出现收缩进而出现断裂损坏。但是我们找到的二维SiO2不是这样的，如果你在x方向上拉伸，y方向上不仅不会收缩减小，反而会进一步膨胀。这种材料可以制造完美的安全带，防弹衣，减震材料，消音材料，也可以用于修补因拉伸导致的材料损伤。”本文第一作者高志斌解释。


       董校博士认为，SiO2的负泊松比是由于其三维的结构化学规律在低维条件下被破坏造成的。即证明这三种新型的二维SiO2材料的负泊松比来源是低维效应。在三维空间中，晶体结构遵循结构化学定律 — 鲍林定律。然而，在低维如二维空间中，这些定律将不再适用。低维系统中独有的原子排列方式将会给材料带来新颖的性质，这种性质是三维系统中很难看到的。该工作中的二维氧化硅的平面负泊松比来源于特殊的晶格结构对称性与硅氧四面体在低维系统下的耦合造成的，也就是说，二维氧化硅材料的平面负泊松比是由低维效应造成的。


       “确实有少数类似的低维材料具有负的泊松比，但是我们的SiO2的负泊松比是五角石墨烯的两倍，是硼烯的三倍。”董校博士进一步补充说。


       除此之外，二维的二氧化硅具有所有已发现二维材料中最大的能隙，7.6 eV，是之前报道具有最大电子带隙六方氮化硼 4.7 eV的1.6倍。“我们相当于把二维材料的能隙拓展到了一片新的区域。与热门的半金属性石墨烯，半导体性的MoS2和黑磷不同，二维二氧化硅是现在已知的最绝缘的二维材料”董校博士说到。


       材料的透光性与材料的厚度和能隙具有很大关系。结构优化显示，新发现的SiO2要薄于其他准二维材料。 因此，二维二氧化硅可以被认为是实际上已知的最透明的材料。


       “二维二氧化硅将在纳米力学和纳米电子学方面具有重要的潜在应用价值，如果这些材料能被合成将会被用于制造更小更薄电容量更大更敏感的电容器，也许会对手机屏幕制造等领域产生重要影响。”董校补充到，“SiO2还在晶体管和异质节制造过程中，被当成绝缘层广泛的使用，所以二维的SiO2可以帮助我们制造更薄更小的晶体管，也可以帮助人们观测低维条件下的量子效应，比如在电子晶体管和异质节中的电子隧穿。”