餐桌上的食鹽，搖身變成實驗室中的二維材料
來源：原理
氯化鈉（NaCl）是我們最熟悉的一種物質之一。在日常生活必不可少的食鹽中，最主要成分就是NaCl，我們每天在餐桌上、廚房裡都會和它見面。
（左）NaCl的立體結構模型，綠色為氯原子，紫色為鈉原子。（右）NaCl晶體（食鹽）。| 圖片來源：Benjah-bmm27 & W.J.Pilsak
我們平時見到的NaCl是一種晶體，它的原子按照簡單的立方體結構排列，每個原子佔據著立方體的一個頂點，然後有序地堆疊起來，形成我們看得見的晶瑩剔透的鹽粒。微觀尺度的規則性和周期性同樣反映在宏觀尺度的形狀上，鹽粒一般天然地呈現出規整的立方體形狀。
長期以來，人們認為對這種化合物已經有了很深的了解。然而最近，這種看似簡單的物質卻帶來了意外的驚喜。一組來自俄羅斯的科學家預測出NaCl在金剛石表面存在奇異的二維結構，也就是呈六邊形的NaCl薄膜。隨後他們通過實驗首次成功創造出了六邊形NaCl。在高壓和低維的狀態下，這種NaCl表現出了超乎想像的複雜性。
二維材料由一層或幾層原子組成，它的性質和結構通常與大塊化合物有很大不同。
最著名的二維材料要數石墨烯，它是碳的一種形式，擁有很多令人驚訝的優異性能，比如具有很高的強度，導電性能佳。2004年，海姆和諾沃肖洛夫通過實驗製備並表徵了單原子厚度的石墨烯材料，打開了二維材料的新世界。他們二人也因此獲得2010年諾貝爾物理學獎。
單原子厚度的石墨烯。| 圖片來源：nobelprize.org
後來，科學家也開始研究其他具有有趣性質的二維材料，比如硅烯、錫烯和硼墨烯，它們分別是單層的硅、錫和硼 ，還有MoS2、CuO和其他化合物的二維薄層結構。隨著第一個六邊形NaCl膜的合成，科學家再次展示了二維材料的奇特性。
研究人員最初僅僅是計划進行一些計算研究，了解新的二維結構在不同襯底上的形成。這是受到一種假設的影響，這種假設認為，如果襯底與NaCl薄膜具有強烈的相互作用，薄膜結構應該會發生重大變化。
他們使用了一種自行開發的進化演算法，根據所涉及的化學元素來預測能量最低的結構。演算法預測了NaCl在不同金屬和金剛石表面的晶體結構，而在金剛石表面的結果非常有趣，NaCl與金剛石似乎會表現出強烈的化學相互作用。預測最終表明，金剛石襯底上存在一種納米級厚度的六邊形NaCl膜。
在晶體取向（110）的金剛石襯底表面形成的單層（左）和雙層（右）的NaCl膜。
有了這樣令人興奮的預測結果，科學家自然不想錯過這個機會，他們決定通過實驗來驗證。最終，實驗合成的成功確認了這種六邊形NaCl薄膜的存在。NaCl膜的平均厚度約6納米，更厚的膜會從六邊形結構回到立方體結構，也就是我們所知道的食鹽的典型結構。
研究人員相信，由於六邊形NaCl與金剛石襯底的強結合，並且它具有較寬頻隙，它有望在金剛石場效應晶體管中起到良好的柵介電質的作用，而場效應晶體管在電動汽車、雷達和通信設備中都具有令人期待的應用潛力。目前的場效應晶體管通常使用的是六邊形氮化硼，它具有相似的帶隙，但與襯底的結合較弱。
這項結果說明，二維材料的領域還很年輕，科學家只發現了一小部分具有有趣性質的可能的材料。對NaCl這種簡單而常見的化合物來說，我們看似已經有了很深入的了解，但它仍隱藏了許多有趣的現象，特別是在納米尺度上。
研究的主要作者Alexander Kvashin表示，這項工作也讓科學家更進一步了解了如何利用襯底控制二維材料的外觀和性質，並為更多在電子及其他領域具有潛在應用前景的二維材料打開了大門。「這項工作是我們朝著尋找新材料的方向邁出的第一步，有望找到具有更高的穩定性的材料，比如溶解度更低或者熱穩定性更高的材料。這些材料可以在電子領域中大放異彩。」
