美國找到利用壓力調控石墨烯晶體管電學特性的新技術途徑

關鍵詞：石墨烯 晶體管 壓力調控 能帶結構 帶隙

由美國哥倫比亞大學領導的國際研究團隊近日開發出一種利用壓力調控石墨烯電學特性的新技術，有望將石墨烯變為更接近電子器件應用需求的實用半導體材料。相關研究成果已發表在近期的《自然》雜誌上。

研究背景

石墨烯是地球上最好的導電體。但正是因為石墨烯導電性太強，缺少半導體特性，使其無法直接應用於電子器件之中。為此，哥倫比亞大學在美國國家科學基金會、大衛和露西爾帕克德基金會共同支持下，首次發起並開展了石墨烯電學特性壓力調控研究工作，旨在找到在不犧牲石墨烯材料優良特性前提下實現石墨烯帶隙調控的有效技術途徑，並以此為基礎進行拓展，找到調控其他二維材料的磁學、超導等特性的途徑。

石墨烯具有由六角碳原子環組成的蜂窩式層狀結構，是一種擁有獨特電子特性的二維材料，也是已知存在的最薄、最堅硬的材料。石墨烯中碳原子獨特的排列方式降低了電子的散射幾率，使電子能以極高的速度移動，並節省了電子在其他導體材料中運動時容易被耗散掉的能量。但是，目前在不改變或犧牲石墨烯有利特性的情況下，想停止電子在石墨烯材料中的傳輸狀態幾乎是不可能的。

技術內涵

當前，石墨烯研究的宏偉目標是找到一種在保持石墨烯所有優良特性的同時還能創造出一個有效半導體帶隙的方法。超晶格結構為實現這一目標帶來了希望。目前已證實，當石墨烯夾在兩層原子層厚度的氮化硼(BN)電絕緣層之間構成三明治結構時,石墨烯的能帶結構會發生改變，形成具有類似半導體的帶隙。但是，由這種特殊層狀結構形成的帶隙寬度還不夠大，不足以支持室溫下晶體管電子器件的運行。

在壓力作用下石墨烯帶隙變寬

為了增大這一帶隙，哥倫比亞大學聯合國家高強度磁場實驗室、韓國首爾大學和新加坡國立大學開展研究並發現，對氮化硼-石墨烯三明治結構施加壓力可大大增加石墨烯材料的帶隙寬度，從而能夠更有效地對流經石墨烯的電流實施阻斷操作。雖然，目前的實驗結果還未達到可用於在室溫下操縱晶體管器件的水平，但研究人員已從根本上理解了帶隙產生和存在的機理，並清楚如何調控帶隙以及未來可達到的目標。晶體管在現代電子設備中無處不在，因此，如果能找到一種方法來使用石墨烯製造晶體管，它將會得到更加廣泛的應用。

意義

之前科學家們其實一直在研究高強度壓力作用對於傳統三維材料導電性的影響，但至今還沒有專門針對二維材料的研究。哥倫比亞的學的研究工作將填補這項空白，有望揭示不同強度的壓力對包括石墨烯在內的各種二維材料特性的影響。下一步，研究人員將進一步完善實驗條件，探索通過壓力作用調控其他二維材料特性的方法。

參考文獻：Dynamic band-structure tuning of graphene moirésuperlattices with pressure，Nature，17 May 2018 Vol 557

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