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压力可以改善石墨烯的半导体特性

导读


近日,美国哥伦比亚大学领导的国际科研团队开发出一项通过压缩的方法巧妙地控制石墨烯导电性能的技术,使得石墨烯离作为半导体应用于现代电子器件的目标更近了一步。


背景


石墨烯具有由碳原子构成的蜂窝状结构,只有单层碳原子的厚度,是世界上已知的最薄、最轻、最强的材料,被誉为“新材料之王“,对于整个产业的影响可能是颠覆性的。


压力可以改善石墨烯的半导体特性


2004年,英国曼彻斯特大学的教授安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫从石墨薄片中剥离出了石墨烯。从那时起,除了机械特性外,石墨烯超乎寻常的电子特性也一直广受物理学界关注


石墨烯是超级导体,导电性能胜过铜。独特的碳原子排列,使得石墨烯中的电子能轻松地高速移动,且不容易产生散射,可以节省之前在其他导电体中会损失掉的能量。可是,阻止石墨烯中的电子传输,而不改变或牺牲石墨烯固有的优秀品质,目前为止仍无法取得成功。


创新


近日,美国哥伦比亚大学领导的国际科研团队开发出一项通过压缩的方法巧妙地控制石墨烯导电性能的技术,使得石墨烯离作为半导体应用于现代电子器件的目标更近了一步。


这项研究,由美国国家科学基金会和戴维露西帕克基金会赞助,发表于5月17日出版的《自然(Nature)》杂志。


技术


这项研究的首席研究员、哥伦比亚大学物理系助理教授 Cory Dean 表示:“石墨烯研究中的宏大目标之一,就是找出一条保持住石墨烯所有优点并且创造出带隙(电气开关)的途径。”他解释道,之前修改石墨烯创造这种带隙的努力会使得石墨烯固有的优点发生退化,致使它的价值大大降低


然而,一种超级结构却颇具前景。当石墨烯如同三明治一般夹在两层原子级薄度的电气绝缘体氮化硼(BN)之间的时候,两种材料旋转对齐,BN 已经被证明能够改变石墨烯的电子结构,创造出带隙,让材料像半导体一样工作。也就是说,它既可以作为导体也可以作为绝缘体。然而,单靠这种分层单独创造出的带隙不够大,以至无法满足电气晶体管设备在室温下运行的要求。


为了改善带隙,Yankowitz、Dean 以及他们在美国国家高磁场实验室、韩国首尔大学、新加坡国立大学的同事们,压缩了氮化硼-石墨烯分层结构,发现通过施加压力可以大大增加带隙的尺寸,更有效地阻止通过石墨烯的电流。


压力可以改善石墨烯的半导体特性

(图片来源:哥伦比亚大学


压力可以改善石墨烯的半导体特性

(图片来源:参考资料【2】)


论文第一作者、哥伦比亚大学物理系博士后研究科学家 Matthew Yankowitz表示:“随着我们施加压力,带隙不断增加。但是对于应用于室温条件下的晶体管设备来说,它仍然不是足够大的带隙(一个足够强大的开关),但是我们首次从根本上更好地理解了这种带隙为什么存在,它是如何被调整的以及我们未来将如何处理它。在我们的当代电子器件中,晶体管无处不在,如果我们能找到一条将石墨烯作为晶体管使用的途径,那么它将具有非常广泛的应用。”


Yankowitz 补充道,多年来,科学家们一直在对传统三维材料的展开高压实验,但是目前还没有人能够找到一条对二维材料这么做的途径。现在,研究人员将能够测试如何施加不同程度的压力,改变一系列层叠二维材料组合的特性。


Yankowitz 说:“任何来自二维材料组合的新兴特性,都会随着材料压缩而变得更加强大。现在,我们可以采用这些结构中的任何一种来挤压它们,并且产生效果的力度是可以调整的。我们已经在用于操控二维材料的工具箱中增加了一种新型实验工具,这个工具将为设计出具有独特性质的设备打开无限的可能性。”


价值


Yankowitz 表示:“石墨烯是我们所知的地球上最佳的导电体。但是问题就是它的导电性太好了,而我们不知道如何去有效地阻止它导电。我们的研究首次建立起一种在石墨烯中实现技术相关的带隙又不破坏其品质的途径。此外,如果我们采用的这项技术应用于其他有趣的二维材料组合,它将带来新兴的现象,例如磁性、超导性等等。”


关键字


二维材料物理石墨烯半导体带隙


参考资料


【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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