艺术家在自然发生的双层石墨烯中移动电荷的表现。来源:卢卡斯·克罗尔
研究人员已经证明，双层石墨烯既可以作为超级co一个导体和一个绝缘体，一个可以改变的特性采用晶体管技术。这个对偶函数这种特性允许开发出高能效的纳米级晶体管。
由G?ttingen大学领导的一个国际研究小组通过实验证明，自然产生的双层石墨烯中的电子像没有任何质量的粒子一样移动，与光传播的方式相同。此外，他们还展示了电流可以被“开关”打开和关闭，这有可能开发出微小的、节能的晶体管——就像你家里的灯开关一样，只是在纳米尺度上。美国麻省理工学院(MIT)和日本国家材料科学研究所(NIMS)也参与了这项研究。研究结果发表在科学杂志《自然通讯》上。
安娜·塞勒博士。来源:Christian Eckel
石墨烯的性质和挑战
石墨烯于2004年被发现，是一层单层碳原子。石墨烯有许多不寻常的特性，其中以其极高的导电性而闻名，这是由于电子在这种材料中高速恒定的运动。这种独特的特性让科学家们梦想着用石墨烯制造更快、更节能的晶体管。
挑战在于，要制造一个晶体管，除了要使材料具有高导电性外，还需要控制其具有高绝缘状态。然而，在石墨烯中，这种载流子速度的“切换”并不容易实现。事实上，石墨烯通常没有绝缘状态，这限制了石墨烯作为晶体管的潜力。
石墨烯晶体管研究的突破
G?ttingen大学团队现在发现，两层石墨烯，就像在自然存在的双层石墨烯中发现的那样，结合了两个世界的优点:一种结构，支持电子像光一样移动的惊人的快速运动，就好像它们没有质量一样，除了绝缘状态。
研究人员表示，这种情况可以通过垂直施加在材料上的电场来改变，使双层石墨烯绝缘。
Thomas Weitz教授。图片来源:T Weitz
早在2009年，快速移动电子的这种特性就在理论上得到了预测，但在实验验证之前，由于NIMS提供的材料以及与麻省理工学院在理论方面的密切合作，样品质量得到了显著提高。虽然这些实验是在低温下进行的，大约在冰点以下273°c，但它们显示了双层石墨烯制造高效晶体管的潜力。
“我们已经知道了这个理论。然而，现在我们已经进行了实验，实际展示了双层石墨烯中电子的类光色散。对于整个团队来说，这是一个非常激动人心的时刻，”G?ttingen大学物理系的托马斯·韦茨教授说。
同样来自G?ttingen大学的博士后研究员和第一作者Anna Seiler博士补充说:“我们的工作是非常重要的第一步，但也是至关重要的一步。研究人员的下一步将是看看双层石墨烯是否真的可以改善晶体管，或者研究这种效应在其他技术领域的潜力。”
参考文献:“探测Bernal双层石墨烯中的可调谐多锥形带结构”，作者:Anna M. Seiler, Nils Jacobsen, Martin Statz, Noelia Fernandez, Francesca Falorsi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Zhiyu Dong, Leonid S. Levitov和R. Thomas Weitz, 2024年4月11日，Nature Communications。DOI: 10.1038 / s41467 - 024 - 47342 - 0
