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《Nature》重磅!科學家發現調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,使其更接近成為當今電子器件中可用的半導體材料

近日消息,由哥倫比亞大學領導的國際研究團隊已經開發出一種新技術,通過壓縮操縱石墨烯的電導率,使石墨烯材料更接近于成為當今電子器件中可用的半導體材料。這項研究成果5月17日發表在了頂尖的科學雜志《Nature》上。

該篇文章的第一作者、哥倫比亞大學物理系博士後研究員Matthew Yankowitz說:“石墨烯是我們在地球上已知的材料中導電性最好的,但是問題在于它在導電方面表現得太好,我們不知道如何有效地調控它。我們的工作首次确立了在不影響其質量的情況下,實現了對石墨烯帶隙的有效調控。 如果将該項技術應用于其它有趣的二維材料的組合,有可能會導緻新的發現,如磁性,超導性等。

自十多年前首次被人們發現以來,石墨烯證明了而且材料可以在宏觀條件下穩定存在。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了物理學界的興趣。 石墨烯是已知存在的強度最強、厚度最薄的材料。 它也恰好是一種優越的電導體 – 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,節省了通常在其他導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異性質的情況下,關閉電子在石墨烯材料中的傳輸已被證明是行不通的。

石墨烯良好的導電性和帶隙始終無法兼得是一直以來的難題。關于石墨烯科學研究,其中之一的宏偉目标就是找出一種方法,既可以保持石墨烯的所有優點如優良的導電性,但同時又能産生一個帶隙- 一個電子開關”。該項研究的主要研究者哥倫比亞大學物理學助理教授Cory Dean說。他解釋說,過去對石墨烯進行修飾以産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。

研究發現,當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對準時,BN材料可以修飾石墨烯的電子結構,産生帶隙以允許材料表現為半導體(即既是電導體又是絕緣體)。然而,由這種分層産生的帶隙在室溫下不足以在電晶體管器件的操作中應用。

為了加強這種能帶差距,韓國漢城大學國家強磁場實驗室和新加坡國立大學的Yankowitz、Dean和他們的同事壓縮了BN-石墨烯結構的層,發現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。

“當我們擠壓并施加壓力時,帶隙會增大,”揚科維茨說。 當然,這個帶隙還是不夠大,不足以成為一個足夠強大的開關,使用在室溫下的晶體管器件中。 但是,我們已經從根本上更好地理解了為什麼這個能帶差距首先存在,它如何調整,以及我們未來的目标可能是什麼,晶體管在我們現代的電子設備中無處不在,所以如果我們能找到一種将石墨烯用作晶體管的方法,它将具有廣泛的應用。“

揚科維茨補充說,科學家們一直在傳統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。現在,研究人員将能夠測試應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:“随着材料被壓縮,任何由二維材料組合産生的新興的特性都将變得更加強大。“我們現在可以采用任意這些任意結構并擠壓它們,并且所産生的效果的強度是可調的。我們已經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,該工具為創建無限的可能性創造了無限的可能性,是具有設計師特性的設備“。

來源:石墨烯資訊

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