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硅烯—石墨烯家族的新伙伴，快看看能否夠用到你的實驗中！

來源：科學10分鐘時間：2022-01-11 21:36:07 瀏覽：4312次

引言

Einleitung

硅烯的晶格形狀為六元環蜂窩狀，其中硅烯六元環的三個硅原子和另外三個硅原子分別處在兩個相垂直的平面上，故又被稱為翹曲單原子層二維材料（圖1）。考慮到硅具有sp3雜化結構，而打破共價Si—Si鍵難以實現，現階段硅烯的合成主要以在固態表面上外延生長為主。硅烯具有低彎曲的幾何結構、“狄拉克費米子”、高載流子遷移率等優秀的電子特性，且與石墨烯相比，硅烯具有更強的自旋軌道耦合和更好的帶隙可調諧性。

圖1 硅烯的原子結構與化學成鍵

01

ACS Nano：二維材料在高壓下的計算模型及其化學鍵合——硅烯作為可能的場效應晶體管

硅烯在低成本、大規模和輕量化的柔性電子器件中具有廣闊的應用前景，如場效應晶體管（FET）壓力傳感器。典型的FET壓力傳感器由三個主要組件組成：有源半導體層、介質（或絕緣體）和三個終端（即源極、漏極和柵極）。與僅由兩個終端組成的傳統傳感裝置相比，FET傳感器可以通過控制第三端（門電極）上的外加電壓，輕松地放大和微調檢測到的電信號。諸如全二維和準二維材料之類的傳感器可以通過施加壓力來修改，要將硅烯薄層用于 FET 壓力傳感器，其在不同壓力下的化學性質值得研究。

基于此，俄羅斯斯科爾科沃科學技術研究院的Christian Tantardini、Alexander G. Kvashnin和Xavier Gonze等人，以壓力下硅烯軌道雜化的變化為重點，探討了單層和多層硅烯的化學性質。從頭算結果表明，當壓力不是流體靜力平衡時，壓力的影響不僅取決于硅烯薄膜的厚度（圖2），也同樣受實驗的實際環境條件影響[1]。為此，作者進一步引入了各向異性應變狀態，在硅烯層上施加純單軸應力時，可以找到從sp3到sp3d的路徑（圖3）。但是，即便在混合模式應力（內壓力是面外壓力的一半）狀態下，這種路徑也未曾發現。

圖2 單層、AA和AB雙層、AAA和ABC三層硅烯的原子結構

圖3 單層、AA雙層和AAA三層硅烯在不同單軸壓力下的態密度

02

Advanced Functional Materials：在絕緣薄膜上制備硅烯納米帶

早期的硅烯合成幾乎只在金屬襯底上通過硅原子外延生長進行，例如Si/Ag、 Si /Au，Si /ZrB2，Si /Ir等。然而到目前為止，關于硅烯的內在性質的研究仍然存在許多爭議，尤其是關于硅烯中狄拉克費米子是否存在的問題。

近年來，科研工作者們利用角分辨光電子能譜和掃描隧道光譜聲稱可以在銀表面生長的硅烯中觀察到它們，而其他實驗卻認為硅烯與金屬表面之間存在強相互作用，所觀察到的線性相關性是由于銀的界面態所造成的。

由此可以看出，使用金屬基材顯然會妨礙觀察硅烯的內在特性。從這個角度來看，堿金屬鹵化物是一種理想的替代底物，如 NaCl薄膜，其可以作為一個介電層將吸附物質的電子狀態解耦。

為此，巴黎薩克雷大學Hamid Oughaddou等人利用濺射、沉積和熱蒸發多手段相結合的方法在絕緣NaCl薄膜表面制備了硅烯納米帶，并利用STM、LEED、XPS、EXAFS和DFT證明了硅烯在NaCl 薄膜上形成擴展的 2D 結構[2]。STM結果表明硅烯具有蜂窩狀結構的高度有序的納米帶薄片（圖4）。XPS 和 EXAFS表明硅原子具有單一的化學環境，并且硅環境與硅烯的化學環境一致。DFT 計算證實了在 NaCl 膜上形成了由密集排列的納米帶組成的弱結合硅烯（圖5），這與實驗結果一致。這是在絕緣薄膜上形成硅烯的第一個明確證據。

圖4 STM表征

圖5 DFT計算結果

03

Advanced Functional Materials：二維核/殼結構硅烯@二氧化硅復合材料，用于靶向和協同NIR-II誘導的光熱消融和缺氧激活的腫瘤化療

安全、高效和穩定的納米藥物的出現促進了各種獨特的腫瘤治療方式的發展，如免疫療法、光熱療法、光動力療法、聲動力療法等，從而彌補傳統療法（手術、化學療法和放射療法）的局限性。在各種納米系統中，介孔二氧化硅納米粒子（MSNs）由于具有明確的介孔結構、大比表面積、高孔體積、豐富的表面化學和令人滿意的生物相容性等特點而受到越來越多的關注。

其中，硅烯是一種新興的二維納米材料，與石墨烯相比具有更為獨特的固態特性，如量子自旋霍爾效應、可調帶隙、巨磁阻和應變傳熱。目前，硅烯已在各種應用中得到探索，包括晶體管、基于拓撲的電子產品和生物醫學。

由于硅烯納米片具有優異的光熱轉換效率，并已有研究證明了硅烯在癌癥治療方面的潛在能力。同時，硅烯的大表面積使它們可以成為藥物輸送和其他治療方式的有利載體。然而，由于硅烯表面缺乏特定所需的官能團，這對于發展個體化治療的藥物遞送而言仍然是一個挑戰。

為此，同濟十院的徐輝雄、孫麗萍和上海大學陳雨等人受介孔二氧化硅和硅烯的物理化學性質和結構特點的啟發，通過在硅烯納米片的表面涂覆一層介孔二氧化硅層，構建了一種獨特的核/殼結構的復合多功能診斷納米平臺（Silicene@Silica）（圖6） [3]。研究結果表明，介孔二氧化硅殼形成的中孔可以為藥物客體分子提供了存儲層，硅烯核心在NIR-II激光照射下產生熱沖擊，從而誘導協同治療癌癥（圖7）。重要的是，當缺氧激活前藥物AQ4N引入該系統時，該納米平臺（Silicene@Silica AQ4N）表現出腫瘤微環境（TME）應答和協同熱療增強治療生物活性，并且這種納米平臺可以通過破壞腫瘤微循環放大TME的缺氧，進而有效激活DNA親和劑和AQ4N。

圖6 Silicene@Silica復合材料的結構表征

圖7 Silicene@Silica AQ4N納米片在腫瘤體內協同化療/光熱熱療

04

Biomaterials：用于雙敏化和光子熱療增強癌癥放療的二維硅烯復合納米片

二氧化硅基介孔納米粒子由于表面積大和孔體積大，可為客體藥物的運輸和封裝提供大的存儲層。但是，無定型的二氧化硅納米系統在一般的生理條件下具有高穩定性，可能會對生物降解產生較強的抵抗力并導致長期累積。

二維硅烯納米片代表了硅材料的第三種拓撲結構，區別于其他生物降解性較差的硅基納米材料，其具有高環境降解性和強光熱促降解性。此外，硅是人體中一種具有生物相容性和不可缺少的微量元素成分，是構成血管、骨骼等器官的必要元素。然而，目前的硅烯納米片難以滿足特定的成像要求，而且由于其硅成分簡單，治療效果仍然相對較低，現階段其實際生物醫學應用十分有限。因此，非常有必要開發具有更多功能的硅烯納米片以滿足臨床需求。

為此，同濟十院的Rong Wu、上海大學的陳雨和海軍醫科大學的Xiang Guo等人基于在硅烯納米片表面原位形核生長Pt顆粒構建了silicene@Pt復合納米片，并將其應用于計算機斷層掃描（CT）/光聲（PA）成像引導的雙敏化放療結合光子腫瘤熱療（圖8）[4]。特別是，通過Pt組分的功能化，這些納米片既可以作為CT成像的造影劑（圖9），也可以作為放療的雙重放射增敏劑，可沉積Pt相關的輻射能量（致敏治療過程I），并通過Pt催化腫瘤微環境中過表達的H2O2產生O2來克服低氧相關的放射抗性（致敏治療過程II）。

另外，硅烯納米片較強的光熱轉換性能不僅使得silicene@Pt復合納米片具有光聲成像特性，更實現了光子腫瘤熱療與放療的聯合治療效果。這項工作不僅拓寬了硅烯的生物醫學應用，而且開發了硅烯的功能化策略，使其具有廣泛的生物醫學應用價值。

圖8 silicene@Pt復合納米片的制備與應用

圖9 基于2D silicene@Pt-SP復合納米片的增強CT和PA成像

參考文獻：

[1] Christian Tantardini, et al. Computational Modeling of 2D Materials under High Pressure and Their Chemical Bonding: Silicene as Possible Field-Effect Transistor, 2021, ACS Nano, 15, 6861?6871.

[2] Khalid Quertite, et al. Silicene Nanoribbons on an Insulating Thin Film, Advanced Functional Materials, 2021, 31, 2007013.

[3] Haohao Yin, et al. 2D Core/Shell-Structured Mesoporous Silicene@Silica for Targeted and Synergistic NIR-II-Induced Photothermal Ablation and Hypoxia-Activated Chemotherapy of Tumors, Advanced Functional Materials, 2021, 31, 2102043.

[4] Ruizhi Hu, et al. Engineering two-dimensional silicene composite nanosheets for dual-sensitized and photonic hyperthermia-augmented cancer radiotherapy, Biomaterials, 2021, 269, 120455.

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