重磅！科学家发现调控石墨烯的带隙新方法

通过压缩氮化硼和石墨烯层，研究人员能够提高材料的带隙，使其更接近成为当今电子器件中可用的半导体材料

近日，由哥伦比亚大学领导的国际研究团队已经开发出一种新技术，通过压缩操纵石墨烯的电导率，使石墨烯材料更接近于成为当今电子器件中可用的半导体材料。这项研究成果5月17日发表在了顶尖的科学杂志《Nature》上。

该篇文章的第一作者、哥伦比亚大学物理系博士后研究员Matthew Yankowitz说：“石墨烯是我们在地球上已知的材料中导电性最好的，但是问题在于它在导电方面表现得太好，我们不知道如何有效地调控它。我们的工作首次确立了在不影响其质量的情况下，实现了对石墨烯带隙的有效调控。 如果将该项技术应用于其它有趣的二维材料的组合，有可能会导致新的发现，如磁性，超导性等。

自十多年前首次被人们发现以来，石墨烯证明了而且材料可以在宏观条件下稳定存在。石墨烯是一种二维（2D）材料，由六边形碳原子组成，这种不寻常的电子特性激发了物理学界的兴趣。 石墨烯是已知存在的强度最强、厚度最薄的材料。 它也恰好是一种优越的电导体 － 石墨烯中碳原子的独特原子排列使其电子能够以极高的速度容易地前进而没有散射机会，节省了通常在其他导体中损失的宝贵能量。

但是，迄今为止，在不改变或牺牲石墨烯的优异性质的情况下，关闭电子在石墨烯材料中的传输已被证明是行不通的。

石墨烯良好的导电性和带隙始终无法兼得是一直以来的难题。关于石墨烯科学研究，其中之一的宏伟目标就是找出一种方法，既可以保持石墨烯的所有优点如优良的导电性，但同时又能产生一个带隙－ 一个电子开关”。该项研究的主要研究者哥伦比亚大学物理学助理教授Cory Dean说。他解释说，过去对石墨烯进行修饰以产生这种带隙的方法降低了石墨烯固有的良好性能，所以不太实用。

研究发现，当石墨烯被夹在两层原子厚度的绝缘体材料氮化硼（BN）层之间，并且这两种材料旋转对准时，BN材料可以修饰石墨烯的电子结构，产生带隙以允许材料表现为半导体（即既是电导体又是绝缘体）。然而，由这种分层产生的带隙在室温下不足以在电晶体管器件的操作中应用。

为了加强这种能带差距，韩国汉城大学国家强磁场实验室和新加坡国立大学的Yankowitz、Dean和他们的同事压缩了BN－石墨烯结构的层，发现施加压力可以显著增加了带隙的尺寸，更有效地阻止了通过石墨烯的电流。

“当我们挤压并施加压力时，带隙会增大，”扬科维茨说。 当然，这个带隙还是不够大，不足以成为一个足够强大的开关，使用在室温下的晶体管器件中。 但是，我们已经从根本上更好地理解了为什么这个能带差距首先存在，它如何调整，以及我们未来的目标可能是什么，晶体管在我们现代的电子设备中无处不在，所以如果我们能找到一种将石墨烯用作晶体管的方法，它将具有广泛的应用。“

扬科维茨补充说，科学家们一直在传统三维材料的高压下进行实验多年，但还没有人想出用二维材料做这些实验的方法。现在，研究人员将能够测试应用不同程度的压力如何改变堆叠二维材料的各种组合的属性。

Yankowitz说：“随着材料被压缩，任何由二维材料组合产生的新兴的特性都将变得更加强大。我们现在可以采用任意这些任意结构并挤压它们，并且所产生的效果的强度是可调的。我们已经为我们用来操作二维材料的工具箱添加了一个新的实验工具，该工具为创建无限的可能性创造了无限的可能性，是具有设计师特性的设备。”

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