通過壓縮方法控制石墨烯導(dǎo)電性能的技術(shù)

通過壓縮方法控制石墨烯導(dǎo)電性能的技術(shù)

近日，美國哥倫比亞大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國際科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一項(xiàng)通過壓縮的方法巧妙地控制石墨烯導(dǎo)電性能的技術(shù)，使得石墨烯離作為半導(dǎo)體應(yīng)用于現(xiàn)代電子器件的目標(biāo)更近了一步。



背景

石墨烯，具有由碳原子構(gòu)成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，只有單層碳原子的厚度，是世界上已知的最薄、最輕、最強(qiáng)的材料，被譽(yù)為“新材料之王“，對于整個(gè)產(chǎn)業(yè)的影響可能是顛覆性的。

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的教授安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫從石墨薄片中剝離出了石墨烯。從那時(shí)起，除了機(jī)械特性外，石墨烯超乎尋常的電子特性也一直廣受物理學(xué)界關(guān)注。

石墨烯是超級導(dǎo)體，導(dǎo)電性能勝過銅。獨(dú)特的碳原子排列，使得石墨烯中的電子能輕松地高速移動，且不容易產(chǎn)生散射，可以節(jié)省之前在其他導(dǎo)電體中會損失掉的能量?？墒?，阻止石墨烯中的電子傳輸，而不改變或犧牲石墨烯固有的優(yōu)秀品質(zhì)，目前為止仍無法取得成功。


創(chuàng)新

近日，美國哥倫比亞大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國際科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一項(xiàng)通過壓縮的方法巧妙地控制石墨烯導(dǎo)電性能的技術(shù)，使得石墨烯離作為半導(dǎo)體應(yīng)用于現(xiàn)代電子器件的目標(biāo)更近了一步。

這項(xiàng)研究，由美國國家科學(xué)基金會和戴維露西帕克基金會贊助，發(fā)表于5月17日出版的《自然（Nature）》雜志。


技術(shù)

這項(xiàng)研究的首席研究員、哥倫比亞大學(xué)物理系助理教授 Cory Dean 表示：“石墨烯研究中的宏大目標(biāo)之一，就是找出一條保持住石墨烯所有優(yōu)點(diǎn)并且創(chuàng)造出帶隙（電氣開關(guān)）的途徑?！彼忉尩?，之前修改石墨烯創(chuàng)造這種帶隙的努力會使得石墨烯固有的優(yōu)點(diǎn)發(fā)生退化，致使它的價(jià)值大大降低。

然而，一種超級結(jié)構(gòu)卻頗具前景。當(dāng)石墨烯如同三明治一般夾在兩層原子級薄度的電氣絕緣體氮化硼（BN）之間的時(shí)候，兩種材料旋轉(zhuǎn)對齊，BN 已經(jīng)被證明能夠改變石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出帶隙，讓材料像半導(dǎo)體一樣工作。也就是說，它既可以作為導(dǎo)體也可以作為絕緣體。然而，單靠這種分層單獨(dú)創(chuàng)造出的帶隙不夠大，以至無法滿足電氣晶體管設(shè)備在室溫下運(yùn)行的要求。

為了改善帶隙，Yankowitz、Dean 以及他們在美國國家高磁場實(shí)驗(yàn)室、韓國首爾大學(xué)、新加坡國立大學(xué)的同事們，壓縮了氮化硼-石墨烯分層結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)通過施加壓力可以大大增加帶隙的尺寸，更有效地阻止通過石墨烯的電流。

論文第一作者、哥倫比亞大學(xué)物理系博士后研究科學(xué)家 Matthew Yankowitz表示：“隨著我們施加壓力，帶隙不斷增加。但是對于應(yīng)用于室溫條件下的晶體管設(shè)備來說，它仍然不是足夠大的帶隙（一個(gè)足夠強(qiáng)大的開關(guān)），但是我們首次從根本上更好地理解了這種帶隙為什么存在，它是如何被調(diào)整的以及我們未來將如何處理它。在我們的當(dāng)代電子器件中，晶體管無處不在，如果我們能找到一條將石墨烯作為晶體管使用的途徑，那么它將具有非常廣泛的應(yīng)用?！?br>
Yankowitz 補(bǔ)充道，多年來，科學(xué)家們一直在對傳統(tǒng)三維材料的展開高壓實(shí)驗(yàn)，但是目前還沒有人能夠找到一條對二維材料這么做的途徑。現(xiàn)在，研究人員將能夠測試如何施加不同程度的壓力，改變一系列層疊二維材料組合的特性。

Yankowitz 說：“任何來自二維材料組合的新興特性，都會隨著材料壓縮而變得更加強(qiáng)大?，F(xiàn)在，我們可以采用這些結(jié)構(gòu)中的任何一種來擠壓它們，并且產(chǎn)生效果的力度是可以調(diào)整的。我們已經(jīng)在用于操控二維材料的工具箱中增加了一種新型實(shí)驗(yàn)工具，這個(gè)工具將為設(shè)計(jì)出具有獨(dú)特性質(zhì)的設(shè)備打開無限的可能性?！?br>

價(jià)值

Yankowitz 表示：“石墨烯是我們所知的地球上最佳的導(dǎo)電體。但是問題就是它的導(dǎo)電性太好了，而我們不知道如何去有效地阻止它導(dǎo)電。我們的研究首次建立起一種在石墨烯中實(shí)現(xiàn)技術(shù)相關(guān)的帶隙又不破壞其品質(zhì)的途徑。此外，如果我們采用的這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于其他有趣的二維材料組合，它將帶來新興的現(xiàn)象，例如磁性、超導(dǎo)性等等?！?br>

參考資料

【1】http://news.columbia.edu/content/1951

【2】Matthew Yankowitz, Jeil Jung, Evan Laksono, Nicolas Leconte, Bheema L. Chittari, K. Watanabe, T. Taniguchi, Shaffique Adam, David Graf, Cory R. Dean. Dynamic band-structure tuning of graphene moiré superlattices with pressure. Nature, 2018; 557 (7705): 404 DOI: 10.1038/s41586-018-0107-1

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