石墨烯電氣特性表徵的新方法：無需電氣接觸！

導讀

最近，瑞士科學家開發出了一種表徵石墨烯性能的新方法，這種方法無需進行破壞性電氣接觸，就可以用於研究石墨烯以及其他二維材料的電阻和量子電容。

關鍵字

石墨烯、二維材料、電氣特性

背景

石墨烯，是一種典型的二維材料，它是由單層碳原子組成蜂窩狀的二維晶體。它在力學、電學 、光學 、熱學等方面具有許多優異特性，享有「新材料之王」的美譽。

石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收大約2.3%的可見光，光透率高達97.7%；另外，從理論上講，它也是最薄、最堅硬、強度最高的材料，硬度超過鑽石，強度超過鋼鐵，除此之外，還能具有很好的柔性；它的導熱性能高於碳納米管和金剛石；常溫下，它的電子遷移率超過納米碳管或硅晶體，電阻比銅或銀更低。

2004年，英國曼徹斯特大學的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授從石墨薄片中剝離出了石墨烯。從那時起，科學家們就一直在探索研究石墨烯的相關特性以及應用。

筆者也曾在之前的多篇文章中，介紹過石墨烯相關的探索和研究，下面舉幾個例子：

《基於石墨烯和量子點的圖像感測器：應用前景廣闊！》介紹過基於石墨烯量子點的CMOS圖像感測器。

（圖片來源於：ICFO/ D. Bartolome）

《低成本的石墨烯生物感測器晶元：實時檢測DNA突變》介紹過低成本的石墨烯生物感測器晶元。

（圖片來源於：加州大學聖迭戈分校 )

《新型石墨烯NFC天線：柔性、輕便、低成本、耐用》介紹了由石墨烯材料製成的柔性NFC天線。

（圖片來源於: Graphene Flagship）

《石墨烯可以用於檢測癌症：這不是捕風捉影！》介紹了用石墨烯材料進行癌症檢測。

（圖片來源於: 伊利諾大學芝加哥分校/Vikas Berry）

然而，總體來說，針對以石墨烯為代表的二維材料，與電子結構相關的研究還是顯得相對較少。

創新

最近，瑞士納米科學研究所和巴塞爾大學物理系教授 Christian Sch?nenberge領導的科研團隊開發出了一種表徵石墨烯特性的新方法，這種方法無需進行破壞性電氣接觸，就可以用於研究石墨烯以及其他二維材料的電阻和量子電容。

科研人員在《應用物理評論》雜誌上發表了他們的研究論文。

技術

電氣接觸，通常用於表徵石墨烯以及其他二維材料的電氣性能。然而，使用這種方法有副作用，就是會顯著地改變材料的特性。所以，科研人員現在開發出了一種研究這些特性的新方法，無需與材料進行電氣接觸。

石墨烯層（黑色蜂窩結構）封裝在氮化硼（藍色）中，放置在超導體（灰色）之上，並且與微波諧振器連接一起，通過比較微波信號（RF），來判斷石墨烯的電阻和量子電容。

（圖片來源於：瑞士納米科學研究所和巴塞爾大學物理系）

石墨烯的電阻和量子電容，會影響到諧振器的品質因數和諧振頻率。儘管這些信號十分微弱，但是它們可以被超導諧振器捕捉到。

在諧振器包含和不包含石墨烯的兩種情況下，科學家對於諧振器的微波特性進行對比，從而判定石墨烯的電阻和量子電容。

價值

Sch?nenberger 研究小組的博士生 Simon Zihlmann 解釋道：

「這些參數在判定石墨烯的具體特性以及分辨其應用的限制因素方面很重要。」

在這種方法的開發期間，氮化硼封裝的石墨烯是作為一種原型材料來使用的。然而，石墨烯也可以集成到其他材料中，同樣也可以用這種方法進行研究。另外，其他的二維材料，例如半導體二硫化鉬材料（通常用於太陽能電池和光學方面），也可以在無需使用電氣接觸的情況下，進行特性表徵。

參考資料

【1】https://www.unibas.ch/en/News-Events/News/Uni-Research/New-Method-of-Characterizing-Graphene.html

【2】V. Ranjan, S. Zihlmann, P. Makk, K. Watanabe, T. Taniguchi, C. Sch?nenberger.Contactless Microwave Characterization of Encapsulated Graphene p?n Junctions. Physical Review Applied, 2017; 7 (5) DOI: 10.1103/PhysRevApplied.7.054015

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