中國粉體網訊  一支由哥倫比亞大學領導的國際研究團隊開發(fā)了一種控制石墨烯的電導率的技術，他們通過對石墨烯疊層復合材料施壓成功改變了石墨烯的電子結構，在石墨烯中創(chuàng)建出目前最寬的能帶間隙，使復合材料呈現(xiàn)半導體性，向石墨烯導電開關的發(fā)展更近一步。        

哥倫比亞大學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體。也恰恰因為它在導電方面表現(xiàn)得太好，讓我們不知道如何有效地對它加以控制。這次我們的研究課題也建立在解決這個難題上，采取某些技術在不影響石墨烯質量的情況下實現(xiàn)帶隙的控制，最終我們通過對石墨烯施加可控壓縮解決了這個問題�！逼鋵嵥麄冞@種技術還能用在其他二維復合材料上，在壓力下二維材料可能會出現(xiàn)一些新性能，比如磁性、超導性等。

通過壓縮氮化硼/石墨烯復合層，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體應用發(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，這種由六角鍵合的碳原子組成的二維材料就令整個物理學界沸騰。它不僅是目前存在的最強、最薄的材料，還是極優(yōu)秀的電導體。它的獨特之處在于，石墨烯結構中碳原子以六元環(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，這相較于其他導體大大節(jié)省了導電過程中被損耗的能量。        

石墨烯是一種無帶隙結構，這也是它表現(xiàn)出超常導電性的原因，性質固然好，但在應用時卻帶來了棘手的問題。迄今為止，還沒有研究團隊能在不改變或犧牲石墨烯優(yōu)異性質的情況下中止電子在材料中的傳輸，因為無帶隙，電子一旦開動就像泄洪一般無法控制“開與閉”。         

“在這個大背景下，石墨烯研究的宏偉目標之一就是找出一種方法，在保存石墨烯所有優(yōu)點的同時產生帶隙-電子開關�！� 哥倫比亞大學物理學助理教授Cory Dean說道，他是此項研究的主要研究者。        

他進一步解釋道，以往科學家通過對石墨烯進行修飾以產生帶隙的方法已經失效，因為這會降低石墨烯固有的良好性能。后來研究發(fā)展到設計一些超結構，將石墨烯和一些薄層半導體材料復合在一起，通過另一種材料的帶隙加入改變整體復合材料的結構。他舉了個例子，當石墨烯被夾在氮化硼（也是六方點陣結構，是點絕緣體）層之間，兩者晶格節(jié)點處有一定的旋轉角度時，石墨烯的電子結構就已被修飾，產生帶隙，開始使材料呈現(xiàn)出半導體性。但用這種復合方法產生的帶隙很窄，室溫下不足以在電晶體管器件中發(fā)揮作用。        

為了加強這種帶隙間距，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和他們的同事嘗試壓縮了氮化硼/石墨烯結構層，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，使石墨烯導電開關的“閉合”功能的實現(xiàn)變得更有可行性。        

新加坡國立大學的Yankowitz教授說：“我們在擠壓時施加的壓力會使帶隙增大，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)在已經從根本上更好地理解了如何產生帶隙，并進而去調整它。我們也很清楚未來要做些什么，因為目前晶體管在我們的現(xiàn)代電子設備中無處不在，所以如果我們能找到一種能將石墨烯用作晶體管的方法，它的應用價值將不可限量。”        

Yankowitz教授又補充說：“科學家多年來一直在高壓下用傳統(tǒng)三維材料做實驗，但是還沒有人知道怎么用二維材料做這些實驗的方法。我們的研究人員算是在這個方向上做了些貢獻，因為我們已經能測試在不同程度的外加壓力下，二維層狀復合材料在各種組合下的屬性�！�        

Yankowitz教授還建議，材料被壓縮時，因二維材料的復合產生的各類新性能都值得我們去探究并進一步發(fā)揚。所以他們現(xiàn)在正在做這方面的實驗，嘗試將各種材料積壓在一起，他們的技術都能達到對想要的效果可控調節(jié)。目前他們剛添置了臺新設備，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備提供便利，以及提高對性能設計的可能性。        

這項研究由美國國家科學基金會和David和Lucille Packard 基金會贊助，他們的研究成果發(fā)在《Nature》期刊上，標題為“Dynamic band - structure tuning of graphene moiré superlattices with pressure”（用壓力動態(tài)地調諧石墨烯超結構的能帶）  （粉體網編輯整理/土豆兒）