壓力可以改善石墨烯的半導體特性

導讀

近日，美國哥倫比亞大學領導的國際科研團隊開發出一項通過壓縮的方法巧妙地控制石墨烯導電性能的技術，使得石墨烯離作為半導體應用於現代電子器件的目標更近了一步。

背景

石墨烯，具有由碳原子構成的蜂窩狀結構，只有單層碳原子的厚度，是世界上已知的最薄、最輕、最強的材料，被譽為「新材料之王「，對於整個產業的影響可能是顛覆性的。

2004年，英國曼徹斯特大學的教授安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫從石墨薄片中剝離出了石墨烯。從那時起，除了機械特性外，石墨烯超乎尋常的電子特性也一直廣受物理學界關注。

石墨烯是超級導體，導電性能勝過銅。獨特的碳原子排列，使得石墨烯中的電子能輕鬆地高速移動，且不容易產生散射，可以節省之前在其他導電體中會損失掉的能量。可是，阻止石墨烯中的電子傳輸，而不改變或犧牲石墨烯固有的優秀品質，目前為止仍無法取得成功。

創新

近日，美國哥倫比亞大學領導的國際科研團隊開發出一項通過壓縮的方法巧妙地控制石墨烯導電性能的技術，使得石墨烯離作為半導體應用於現代電子器件的目標更近了一步。

這項研究，由美國國家科學基金會和戴維露西帕克基金會贊助，發表於5月17日出版的《自然（Nature）》雜誌。

技術

這項研究的首席研究員、哥倫比亞大學物理系助理教授 Cory Dean 表示：「石墨烯研究中的宏大目標之一，就是找出一條保持住石墨烯所有優點並且創造出帶隙（電氣開關）的途徑。」他解釋道，之前修改石墨烯創造這種帶隙的努力會使得石墨烯固有的優點發生退化，致使它的價值大大降低。

然而，一種超級結構卻頗具前景。當石墨烯如同三明治一般夾在兩層原子級薄度的電氣絕緣體氮化硼（BN）之間的時候，兩種材料旋轉對齊，BN 已經被證明能夠改變石墨烯的電子結構，創造出帶隙，讓材料像半導體一樣工作。也就是說，它既可以作為導體也可以作為絕緣體。然而，單靠這種分層單獨創造出的帶隙不夠大，以至無法滿足電氣晶體管設備在室溫下運行的要求。

為了改善帶隙，Yankowitz、Dean 以及他們在美國國家高磁場實驗室、韓國首爾大學、新加坡國立大學的同事們，壓縮了氮化硼-石墨烯分層結構，發現通過施加壓力可以大大增加帶隙的尺寸，更有效地阻止通過石墨烯的電流。

（圖片來源：哥倫比亞大學）

（圖片來源：參考資料【2】）

論文第一作者、哥倫比亞大學物理系博士後研究科學家 Matthew Yankowitz表示：「隨著我們施加壓力，帶隙不斷增加。但是對於應用於室溫條件下的晶體管設備來說，它仍然不是足夠大的帶隙（一個足夠強大的開關），但是我們首次從根本上更好地理解了這種帶隙為什麼存在，它是如何被調整的以及我們未來將如何處理它。在我們的當代電子器件中，晶體管無處不在，如果我們能找到一條將石墨烯作為晶體管使用的途徑，那麼它將具有非常廣泛的應用。」

Yankowitz 補充道，多年來，科學家們一直在對傳統三維材料的展開高壓實驗，但是目前還沒有人能夠找到一條對二維材料這麼做的途徑。現在，研究人員將能夠測試如何施加不同程度的壓力，改變一系列層疊二維材料組合的特性。

Yankowitz
說：「任何來自二維材料組合的新興特性，都會隨著材料壓縮而變得更加強大。現在，我們可以採用這些結構中的任何一種來擠壓它們，並且產生效果的力度是可以調整的。我們已經在用於操控二維材料的工具箱中增加了一種新型實驗工具，這個工具將為設計出具有獨特性質的設備打開無限的可能性。」

價值

Yankowitz

表示：「石墨烯是我們所知的地球上最佳的導電體。但是問題就是它的導電性太好了，而我們不知道如何去有效地阻止它導電。我們的研究首次建立起一種在石墨烯中實現技術相關的帶隙又不破壞其品質的途徑。此外，如果我們採用的這項技術應用於其他有趣的二維材料組合，它將帶來新興的現象，例如磁性、超導性等等。」

關鍵字

二維材料、物理、石墨烯、半導體、帶隙

參考資料

【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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