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由美國(guó)哥倫比亞大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)、韓國(guó)首爾大學(xué)和新加坡國(guó)立大學(xué)參加的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一項(xiàng)新技術(shù)，通過(guò)擠壓一氮化硼（BN）和石墨烯層可調(diào)整石墨烯的導(dǎo)電性，使得石墨烯在成為當(dāng)前電子器件可用半導(dǎo)體材料上又邁進(jìn)了一步。研究成果發(fā)表在5月17日的《自然》雜志上。

圖為研究成果示意圖

在十余年前石墨烯被發(fā)現(xiàn)之日起，石墨烯不尋常的電子特性使整個(gè)物理界都興奮起來(lái)。石墨烯是現(xiàn)有已知強(qiáng)度最大、最薄的材料，也碰巧是電的良導(dǎo)體。石墨烯中獨(dú)特的碳原子排布使電子能夠以極高的速度穿行，不會(huì)發(fā)生顯著的散射，節(jié)省通常在其他導(dǎo)體中出現(xiàn)的能量損耗。但是，在不改變或犧牲石墨烯最受歡迎特性的前提下關(guān)斷材料中電子的傳輸?shù)侥壳盀橹惯€沒(méi)有成功。

哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)學(xué)院博士后和論文的第一作者M(jìn)atthew Yankowitz說(shuō)：“石墨烯是我們已知地球上最好的導(dǎo)電體。問(wèn)題是它的導(dǎo)電性太好了，我們不知道如何有效停止?！?/span>

哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)副教授、論文的主要作者Cory Dean說(shuō)：“石墨烯研究中一個(gè)宏愿是找出一種方式，既能保持石墨烯的所有優(yōu)勢(shì)，又能產(chǎn)生帶隙—一個(gè)電子開關(guān)。”他解釋了過(guò)去改變石墨烯以產(chǎn)生帶隙的方法都在本質(zhì)上削弱了石墨烯的優(yōu)良特性，使其可用性降低。

一種超級(jí)結(jié)構(gòu)顯示出了前景。當(dāng)石墨烯夾在單原子薄的電絕緣體BN層之間時(shí)，兩種材料旋轉(zhuǎn)對(duì)齊，BN層改變了石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了帶隙，使得石墨烯能夠像半導(dǎo)體一樣工作。但由這一層單獨(dú)所產(chǎn)生的帶隙并不達(dá)到可使室溫下電子晶體管有效工作的程度。在增加帶隙的研究中，研究團(tuán)隊(duì)將多層BN-石墨烯結(jié)構(gòu)進(jìn)行擠壓后發(fā)現(xiàn)，持續(xù)施加壓力可增加帶隙的尺寸，能夠更有效阻止石墨烯中的電子流。

Yankowitz說(shuō)：“2D組合材料的突出特征將隨著材料的擠壓而變強(qiáng)。我們現(xiàn)在可以拿著任意結(jié)構(gòu)進(jìn)行擠壓，所產(chǎn)生效果的強(qiáng)度是可調(diào)節(jié)的。我們?cè)诓倏?D材料所用工具箱中增加了新的實(shí)驗(yàn)工具，該工具在產(chǎn)生帶有設(shè)計(jì)者所需特性的器件上開啟了無(wú)邊的可能性?！?/span>

Yankowitz表示，研究人員已在傳統(tǒng)三維材料上進(jìn)行了多年的高壓力實(shí)驗(yàn)，但還沒(méi)有人找到可對(duì)2D材料實(shí)施的對(duì)應(yīng)方式。現(xiàn)在，研究人員能夠測(cè)試施加不同程度的壓力是如何改變堆疊2D材料多種組合的特性。Yankowitz說(shuō)：“隨著我們擠壓和施加壓力，帶隙在增加。雖然帶隙還不足夠大，不足以實(shí)現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)有力的開關(guān)來(lái)滿足室溫晶體管器件的使用，但我們從根本上更好地了解了為什么存在帶隙，如何調(diào)整，以及我們未來(lái)的目標(biāo)是什么。晶體管在我們現(xiàn)代電子設(shè)備中無(wú)處不見，因此如果我們能夠找到一個(gè)方式將石墨烯作為晶體管使用，它將有廣泛的應(yīng)用?！?br>

Yankowitz說(shuō)：“我們的工作第一次建立了一種路徑，能夠在不降低石墨烯特性的前提下從技術(shù)上讓石墨烯中實(shí)現(xiàn)帶隙。而且，如果將該技術(shù)應(yīng)用于其他2D材料組合，將帶來(lái)磁、超導(dǎo)等新現(xiàn)象?！?/span>

該研究由國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）、大衛(wèi)與露茜爾·派克德基金會(huì)提供資金支持。

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