重磅！科學(xué)家發(fā)現(xiàn)調(diào)控石墨烯的帶隙新方法

　　通過壓縮氮化硼和石墨烯層，研究人員能夠提高材料的帶隙，使其更接近成為當(dāng)今電子器件中可用的半導(dǎo)體材料

　　近日，由哥倫比亞大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出一種新技術(shù)，通過壓縮操縱石墨烯的電導(dǎo)率，使石墨烯材料更接近于成為當(dāng)今電子器件中可用的半導(dǎo)體材料。這項(xiàng)研究成果5月17日發(fā)表在了頂尖的科學(xué)雜志《Nature》上。

　　該篇文章的第一作者、哥倫比亞大學(xué)物理系博士后研究員Matthew Yankowitz說：“石墨烯是我們?cè)诘厍蛏弦阎牟牧现袑?dǎo)電性最好的，但是問題在于它在導(dǎo)電方面表現(xiàn)得太好，我們不知道如何有效地調(diào)控它。我們的工作首次確立了在不影響其質(zhì)量的情況下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)石墨烯帶隙的有效調(diào)控。 如果將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于其它有趣的二維材料的組合，有可能會(huì)導(dǎo)致新的發(fā)現(xiàn)，如磁性，超導(dǎo)性等。

　　自十多年前首次被人們發(fā)現(xiàn)以來，石墨烯證明了而且材料可以在宏觀條件下穩(wěn)定存在。石墨烯是一種二維(2D)材料，由六邊形碳原子組成，這種不尋常的電子特性激發(fā)了物理學(xué)界的興趣。 石墨烯是已知存在的強(qiáng)度最強(qiáng)、厚度最薄的材料。 它也恰好是一種優(yōu)越的電導(dǎo)體 - 石墨烯中碳原子的獨(dú)特原子排列使其電子能夠以極高的速度容易地前進(jìn)而沒有散射機(jī)會(huì)，節(jié)省了通常在其他導(dǎo)體中損失的寶貴能量。

　　但是，迄今為止，在不改變或犧牲石墨烯的優(yōu)異性質(zhì)的情況下，關(guān)閉電子在石墨烯材料中的傳輸已被證明是行不通的。

　　石墨烯良好的導(dǎo)電性和帶隙始終無法兼得是一直以來的難題。關(guān)于石墨烯科學(xué)研究，其中之一的宏偉目標(biāo)就是找出一種方法，既可以保持石墨烯的所有優(yōu)點(diǎn)如優(yōu)良的導(dǎo)電性，但同時(shí)又能產(chǎn)生一個(gè)帶隙- 一個(gè)電子開關(guān)”。該項(xiàng)研究的主要研究者哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)助理教授Cory Dean說。他解釋說，過去對(duì)石墨烯進(jìn)行修飾以產(chǎn)生這種帶隙的方法降低了石墨烯固有的良好性能，所以不太實(shí)用。

　　研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨烯被夾在兩層原子厚度的絕緣體材料氮化硼(BN)層之間，并且這兩種材料旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)時(shí)，BN材料可以修飾石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生帶隙以允許材料表現(xiàn)為半導(dǎo)體(即既是電導(dǎo)體又是絕緣體)。然而，由這種分層產(chǎn)生的帶隙在室溫下不足以在電晶體管器件的操作中應(yīng)用。

　　為了加強(qiáng)這種能帶差距，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和他們的同事壓縮了BN-石墨烯結(jié)構(gòu)的層，發(fā)現(xiàn)施加壓力可以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。

　　“當(dāng)我們擠壓并施加壓力時(shí)，帶隙會(huì)增大，”揚(yáng)科維茨說。 當(dāng)然，這個(gè)帶隙還是不夠大，不足以成為一個(gè)足夠強(qiáng)大的開關(guān)，使用在室溫下的晶體管器件中。 但是，我們已經(jīng)從根本上更好地理解了為什么這個(gè)能帶差距首先存在，它如何調(diào)整，以及我們未來的目標(biāo)可能是什么，晶體管在我們現(xiàn)代的電子設(shè)備中無處不在，所以如果我們能找到一種將石墨烯用作晶體管的方法，它將具有廣泛的應(yīng)用?！?/p>

　　揚(yáng)科維茨補(bǔ)充說，科學(xué)家們一直在傳統(tǒng)三維材料的高壓下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)多年，但還沒有人想出用二維材料做這些實(shí)驗(yàn)的方法?，F(xiàn)在，研究人員將能夠測(cè)試應(yīng)用不同程度的壓力如何改變堆疊二維材料的各種組合的屬性。

　　Yankowitz說：“隨著材料被壓縮，任何由二維材料組合產(chǎn)生的新興的特性都將變得更加強(qiáng)大。我們現(xiàn)在可以采用任意這些任意結(jié)構(gòu)并擠壓它們，并且所產(chǎn)生的效果的強(qiáng)度是可調(diào)的。我們已經(jīng)為我們用來操作二維材料的工具箱添加了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)工具，該工具為創(chuàng)建無限的可能性創(chuàng)造了無限的可能性，是具有設(shè)計(jì)師特性的設(shè)備?！?/p>