夜雨聆风高中化学试题解析415
1. 大面积单原子层二维金属Ga(2D)制备过程示意图如下。下列说法错误的是
A. Ga位于周期表第四周期第ⅢA族，其简化电子排布式为[Ar]4s24p1
B. 蓝宝石砧座的硬度高，其主要成分Al2O3可当作共价晶体
C. 常温常压下，等物质的量的Ga(2D)能量高于Ga(3D)晶体
D. Ga(2D)的一个基本结构单元为
答案：A
分析：
A项，Ga位于元素周期表第四周期第ⅢA族，电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p1，简化电子排布式为[Ar]3d104s24p1，书写时不能漏写3d能级。
B项，从Ga(2D)的制作过程看，蓝宝石砧座的硬度很高，符合共价晶体的特征性质，且Al2O3的共价键成分比离子键成分多，故其主要成分Al2O3可当作共价晶体。
C项，从图知，由Ga(3D)制作Ga(2D)的过程需要加热熔化并挤压，该过程为吸收能量的过程，故等物质的量的Ga(2D)能量高于Ga(3D)晶体。
D项，由大面积单原子层二维金属Ga(2D)俯视放大图可知，Ga(2D)为二维密置层结构，配位数为6，则一个基本结构单元为：
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补充材料（来自AI，仅供参考）：
二维单质镓（Gallenene，镓烯）完整制备方法
定义区分：2D 镓特指单质原子薄层金属 Ga（镓烯）；氧化镓、GaN、GaSe 等二维镓化合物为衍生材料，文末附简要合成。
块体 Ga 无天然层状范德华结构，金属键各向同性，原子薄二维单质 Ga 制备难度远高于石墨烯，主流分液态金属界面剥离（固相 - 熔体剥离法，最成熟）、超高真空 MBE 外延、范德华封装挤压法三类。
一、固相 - 熔体界面剥离法（液态镓挤压印刷法，Science 报道主流路线）
原理
镓熔点 29.76 ℃，室温液态；熔体与空气间自发形成原子级薄固态 Ga 表层，利用两片衬底挤压、剥离该界面固态层，直接得到单层 / 少层单质 2D Ga（Gallenene）。
完整操作流程
原料预处理
高纯 Ga 锭（99.999%）加热至 40–50 ℃熔融，针尖吸取液镓液滴（直径 1 mm）；衬底选用 SiO₂/Si、石英、云母，乙醇 + 等离子清洗除油污。
挤压印刷成膜
液滴置于下衬底，盖上另一块同材质衬底，垂直施加0.5–3 N压力，水平无滑动均匀铺展液镓；保持 50 ℃恒温台，静置 1–3 min，让界面形成自限固态 Ga 薄层。
垂直剥离提取 2D Ga
两块衬底垂直向上缓慢分离（禁止横向摩擦，避免薄膜破损），两片衬底表面均附着原子薄 2D Ga 片，厚度 0.8–3 nm（1–5 原子层），横向尺寸毫米级。
后处理与保护
空气中 2D Ga 极易氧化，剥离后立即转移至手套箱（Ar 氛围）；如需长期稳定，可覆盖单层石墨烯、h-BN 封装隔绝氧气。
优缺点
优势：设备简单、低温、大面积、无需超高真空，适合基础实验室；
缺陷：无封装时快速氧化，厚度均匀性依赖挤压压力，难以制备严格单层。
二、超高真空分子束外延（MBE，单晶高质量 2D Ga，器件专用）
原理
超高真空（10⁻¹⁰ Torr）下热蒸发 Ga 源，原子束在晶格匹配衬底上逐层沉积，原子级精准控制层数，生长单晶镓烯，无氧化污染。
工艺步骤
衬底预处理
常用衬底：SiC、Si (111)、外延单层石墨烯 / SiC、GaN；高温退火除表面氧化、重构洁净原子台阶。
Ga 束流沉积
高温 Ga 克努森源蒸发，衬底温度控制100–250 ℃（温度过高 Ga 团聚成液滴，过低无序薄膜）；监控 RHEED 衍射条纹实时判断层厚。
退火稳定二维相
沉积后 300–400 ℃原位退火，重构平面二维 Ga 晶格，抑制三维岛状生长，获得连续单晶 2D Ga 薄膜。
原位封装（可选）
不取出腔体，直接外延石墨烯 / BN 覆盖，隔绝空气，得到可大气转移的稳定 2D Ga 异质结。
优缺点
优势：单晶、厚度精确可控、低缺陷、适合超导 / 量子输运器件测试；
缺点：设备昂贵、生长面积小、真空工艺耗时，无法规模化。
三、范德华挤压封装法（中科院物理所，空气稳定二维金属 Ga）
核心创新
解决单质 2D Ga 易氧化难题，用单层 MoS₂作为上下范德华压砧，熔融 Ga 夹在两层 MoS₂间挤压，2D Ga 完全封装在层间，隔绝水氧，存放一年无氧化降解。
流程
机械剥离单层 MoS₂，转移至 SiO₂衬底作为底层压砧；
微量液态 Ga 滴在 MoS₂表面，覆盖第二片单层 MoS₂；
恒温 40 ℃垂直加压挤压，液镓在两层范德华层间延展成 9.2 Å（单原子层）2D Ga；
直接用于器件，无需手套箱操作，界面无共价键，保留 2D Ga 本征金属特性。
优势：环境稳定、单层可控、普适多种低熔点二维金属（Ga/In/Sn/Bi）。
四、液相超声剥离法（仅薄层氧化镓，不能直接制单质 2D Ga）
液态 Ga 分散于去离子水 / 乙醇，超声 1–3 h，表面自氧化 Ga₂O₃薄层脱落，离心收集二维氧化镓纳米片；
无法得到单质 Ga：液相环境下单质 Ga 瞬间氧化，产物为 2D β-Ga₂O₃，多用于宽禁带光电器件、光催化。