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 據悉，一支由哥倫比亞大學領導的國際研究團隊開發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，在石墨烯中創建出目前最寬的能帶間隙，使復合材料呈現半導體性，向石墨烯導電開關的發展更近一步。

      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。”其實他們這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展又一步。（圖片來源：Philip Krantz）

      自十多年前首次發現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方式排列，使電子能以極高的速度傳播，并且不發生散射，這相較于其他導體大大節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，發現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揚。所以他們現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。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，他們的研究成果發在《Nature》期刊上，標題為“Dynamic band - structure tuning of graphene moiré superlattices with pressure”（用壓力動態地調諧石墨烯超結構的能帶）

文章來源于于哥倫比亞大學的Jessica Guenzel 雜志，由材料科技新聞在線團隊編譯，原文標題為Researchers control the properties of graphene transistors using pressure