三维材料如何模拟石墨烯电子流，实现绿色计算革命

利物浦大学的研究人员发现了一种方法，可以在三维（3D）材料中承载石墨烯的一些最重要特性，这可能消除了石墨烯特性在绿色计算中大规模使用的障碍。这项工作已经在期刊Matter上发表。

石墨烯因其非常强、轻巧和导电性优良而闻名，其应用范围从电子产品到航空航天和医疗技术。然而，它的二维（2D）结构使其机械性能脆弱，限制了其在苛刻环境和大规模应用中的使用。

三维材料模拟石墨烯

在今天发表的一篇论文中，一组研究人员发现3D材料HfSn₂模拟了石墨烯的快速二维电子流。这一突破性的发现为设计出更稳定且仍能展现先进低能电子行为的材料提供了机会。这些材料对下一代低能逻辑和自旋电子设备非常有吸引力，而这些设备正是未来计算技术的核心。

这项工作由乔纳森·阿拉里博士（物理学）和马修·罗斯金教授OBE FRS（化学）共同领导，突显了物理学和化学之间支撑这一发现的基本协同作用。研究小组结合了理论建模和实验室中生长的高质量单晶体的实验。在这里，研究人员展示了HfSn₂包含以特殊手性堆叠模式排列的蜂窝层（三维排列，类似于DNA的扭曲）。这种排列保留了通常只在二维材料中才能看到的独特电子行为。

这些蜂窝层还允许材料存在 Weyl 点——电子结构中不寻常的点，可以显著增强电子的移动能力。因此，HfSn₂ 中的电子就像在 2D 材料中移动一样，尽管其结构本身是完全 3D 的。

把结构和电子行为分开来看

论文的关键发现是，HfSn₂ 中电子的移动方式可以表现得像一个 2D 系统，尽管原子形成了一个强大的 3D 网络。这意味着电子行为可以与材料的真实结构分开。它还表明，在比典型层状晶体更坚固的材料中，类似于 2D 的性能是可能的。

HfSn₂ 的研究展示了如何通过精确控制化学键合和物理空间中的堆叠模式来调节能量和动量空间中的电子行为。

研究人员指出未来有更广阔的机会

利物浦大学的物理学高级讲师乔纳森·阿拉里亚博士表示：“我们的工作表明，类似二维的电子传输可以在完全三维的材料中实现。要证明这一点，我们需要在极端条件下进行先进的物理实验，并与化学同事紧密合作。这种合作非常重要，只有通过结合理论建模、晶体生长和高场传输测量，我们才能揭示这些新概念。”

马特·罗斯金教授总结道：“我们自问，材料是否需要是二维的才能像石墨烯那样的表现，或者我们能否在完全不同种类的具有更高维度的材料中创造出类似石墨烯的特性？”

“这些结果展示了化学的魅力，通过控制原子排列来决定功能，产生反直觉的特性，这也暗示着在不依赖结构分层材料的情况下，可能会有更广泛的机会，为低能耗电子设备提供二维高迁移率。”