中國粉體網(wǎng)訊 一支由哥倫比亞大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種控制石墨烯的電導(dǎo)率的技術(shù)，他們通過對(duì)石墨烯疊層復(fù)合材料施壓成功改變了石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，在石墨烯中創(chuàng)建出目前最寬的能帶間隙，使復(fù)合材料呈現(xiàn)半導(dǎo)體性，向石墨烯導(dǎo)電開關(guān)的發(fā)展更近一步。
哥倫比亞大學(xué)物理系博士后研究員Matthew Yankowitz說：“在我們的星球上，石墨烯是目前最好的電導(dǎo)體。也恰恰因?yàn)樗趯?dǎo)電方面表現(xiàn)得太好，讓我們不知道如何有效地對(duì)它加以控制。這次我們的研究課題也建立在解決這個(gè)難題上，采取某些技術(shù)在不影響石墨烯質(zhì)量的情況下實(shí)現(xiàn)帶隙的控制，最終我們通過對(duì)石墨烯施加可控壓縮解決了這個(gè)問題�！逼鋵�(shí)他們這種技術(shù)還能用在其他二維復(fù)合材料上，在壓力下二維材料可能會(huì)出現(xiàn)一些新性能，比如磁性、超導(dǎo)性等。
通過壓縮氮化硼/石墨烯復(fù)合層，研究人員能夠提高材料帶隙寬度，使室溫下使用的石墨烯半導(dǎo)體應(yīng)用發(fā)展又一步。
自十多年前首次發(fā)現(xiàn)石墨烯和它特殊的電子性質(zhì)，這種由六角鍵合的碳原子組成的二維材料就令整個(gè)物理學(xué)界沸騰。它不僅是目前存在的最強(qiáng)、最薄的材料，還是極優(yōu)秀的電導(dǎo)體。它的獨(dú)特之處在于，石墨烯結(jié)構(gòu)中碳原子以六元環(huán)方式排列，使電子能以極高的速度傳播，并且不發(fā)生散射，這相較于其他導(dǎo)體大大節(jié)省了導(dǎo)電過程中被損耗的能量。
石墨烯是一種無帶隙結(jié)構(gòu)，這也是它表現(xiàn)出超常導(dǎo)電性的原因，性質(zhì)固然好，但在應(yīng)用時(shí)卻帶來了棘手的問題。迄今為止，還沒有研究團(tuán)隊(duì)能在不改變或犧牲石墨烯優(yōu)異性質(zhì)的情況下中止電子在材料中的傳輸，因?yàn)闊o帶隙，電子一旦開動(dòng)就像泄洪一般無法控制“開與閉”。
“在這個(gè)大背景下，石墨烯研究的宏偉目標(biāo)之一就是找出一種方法，在保存石墨烯所有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)產(chǎn)生帶隙-電子開關(guān)�！� 哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)助理教授Cory Dean說道，他是此項(xiàng)研究的主要研究者。
他進(jìn)一步解釋道，以往科學(xué)家通過對(duì)石墨烯進(jìn)行修飾以產(chǎn)生帶隙的方法已經(jīng)失效，因?yàn)檫@會(huì)降低石墨烯固有的良好性能。后來研究發(fā)展到設(shè)計(jì)一些超結(jié)構(gòu)，將石墨烯和一些薄層半導(dǎo)體材料復(fù)合在一起，通過另一種材料的帶隙加入改變整體復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。他舉了個(gè)例子，當(dāng)石墨烯被夾在氮化硼（也是六方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，是點(diǎn)絕緣體）層之間，兩者晶格節(jié)點(diǎn)處有一定的旋轉(zhuǎn)角度時(shí)，石墨烯的電子結(jié)構(gòu)就已被修飾，產(chǎn)生帶隙，開始使材料呈現(xiàn)出半導(dǎo)體性。但用這種復(fù)合方法產(chǎn)生的帶隙很窄，室溫下不足以在電晶體管器件中發(fā)揮作用。
為了加強(qiáng)這種帶隙間距，韓國漢城大學(xué)國家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室和新加坡國立大學(xué)的Yankowitz、Dean和他們的同事嘗試壓縮了氮化硼/石墨烯結(jié)構(gòu)層，發(fā)現(xiàn)外加壓力顯著增加了帶隙的尺寸，更有效地阻止了通過石墨烯的電流，使石墨烯導(dǎo)電開關(guān)的“閉合”功能的實(shí)現(xiàn)變得更有可行性。
新加坡國立大學(xué)的Yankowitz教授說：“我們?cè)跀D壓時(shí)施加的壓力會(huì)使帶隙增大，但它仍然沒有大到能作為室溫下使用的晶體管器件材料。但不管怎么說， 我們都做出了一步意義重大的突破，我們現(xiàn)在已經(jīng)從根本上更好地理解了如何產(chǎn)生帶隙，并進(jìn)而去調(diào)整它。我們也很清楚未來要做些什么，因?yàn)槟壳熬w管在我們的現(xiàn)代電子設(shè)備中無處不在，所以如果我們能找到一種能將石墨烯用作晶體管的方法，它的應(yīng)用價(jià)值將不可限量�！�
Yankowitz教授又補(bǔ)充說：“科學(xué)家多年來一直在高壓下用傳統(tǒng)三維材料做實(shí)驗(yàn)，但是還沒有人知道怎么用二維材料做這些實(shí)驗(yàn)的方法。我們的研究人員算是在這個(gè)方向上做了些貢獻(xiàn)，因?yàn)槲覀円呀?jīng)能測(cè)試在不同程度的外加壓力下，二維層狀復(fù)合材料在各種組合下的屬性�！�
Yankowitz教授還建議，材料被壓縮時(shí)，因二維材料的復(fù)合產(chǎn)生的各類新性能都值得我們?nèi)ヌ骄坎⑦M(jìn)一步發(fā)揚(yáng)。所以他們現(xiàn)在正在做這方面的實(shí)驗(yàn)，嘗試將各種材料積壓在一起，他們的技術(shù)都能達(dá)到對(duì)想要的效果可控調(diào)節(jié)。目前他們剛添置了臺(tái)新設(shè)備，是一種用于處理二維材料的工具箱，它將為他們后期搭建更多設(shè)備提供便利，以及提高對(duì)性能設(shè)計(jì)的可能性。
這項(xiàng)研究由美國國家科學(xué)基金會(huì)和David和Lucille Packard 基金會(huì)贊助，他們的研究成果發(fā)在《Nature》期刊上，標(biāo)題為“Dynamic band - structure tuning of graphene moiré superlattices with pressure”（用壓力動(dòng)態(tài)地調(diào)諧石墨烯超結(jié)構(gòu)的能帶） （粉體網(wǎng)編輯整理/土豆兒）
