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)的國際研究團隊已經(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：“石墨烯是我們在地球上已知的材料中導(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，實現(xiàn)了對石墨烯帶隙的有效調(diào)控。 如果將該項技術(shù)應(yīng)用于其它有趣的二維材料的組合，有可能會導(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度最強、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特原子排列使其電子能夠以極高的速度容易地前進而沒有散射機會，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)點如優(yōu)良的導(dǎo)電性，但同時又能產(chǎn)生一個帶隙- 一個電子開關(guān)”。該項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，過去對石墨烯進行修飾以產(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)對準(zhǔn)時，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。

　　為了加強這種能帶差距，韓國漢城大學(xué)國家強磁場實驗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，帶隙會增大，”揚科維茨說。 當(dāng)然，這個帶隙還是不夠大，不足以成為一個足夠強大的開關(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>

　　揚科維茨補充說，科學(xué)家們一直在傳統(tǒng)三維材料的高壓下進行實驗多年，但還沒有人想出用二維材料做這些實驗的方法?，F(xiàn)在，研究人員將能夠測試應(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新的實驗工具，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)計師特性的設(shè)備。”