物理学家发现如何改变石墨烯的晶体结构

石墨烯三层可以两种不同的结构堆叠，可以自然地出现在同一薄片中。它们之间有一个清晰的边界。（图像：Pablo San-Jose ICMM-CSI）

一组研究人员发现了如何改变石墨烯的晶体结构，这一发现可能导致更小，更快的微处理器。

亚利桑那大学领导的物理学家团队发现了如何通过电场改变石墨烯的晶体结构（通常称为铅笔芯）的重要一步，这是朝着可能比更小和更快的微处理器中使用石墨烯迈出的重要一步。当前的基于硅的技术。

石墨烯由极薄的石墨片组成：用铅笔书写时，石墨烯片会从铅笔的石墨芯上脱落并粘在页面上。如果放在高倍电子显微镜下，石墨烯会揭示出其片状结构的交联碳原子，类似于鸡丝。

UA物理学家发现，当受到电场操纵时，材料的一部分会从金属行为转变为半导体行为。

石墨烯是世界上最薄的材料，需要300,000张纸才能达到人发或纸的厚度。科学家和工程师对它感兴趣，因为它可能在微电子设备中应用，希望将我们从硅时代推向石墨烯时代。棘手的部分是控制电子通过材料的流动，这是使电子在任何类型的电子电路中工作的必要先决条件。

LeRoy和他的合作者使用锋利的金属扫描隧道显微镜头，可以在两个石墨烯构型之间移动畴边界。（图像：Pablo San-Jose ICMM-CSI）

UA物理学副教授Brian LeRoy和他的合作者通过证明电场能够控制由三层石墨烯组成的三层石墨烯的晶体结构，为实现该目标扫清了障碍。

大多数材料需要高温，高压或同时改变高温和高压来改变其晶体结构，这就是石墨不自发地转变成金刚石或反之亦然的原因。

LeRoy说：“一种材料仅通过施加电场来改变其晶体结构是极为罕见的。”“制造三层石墨烯是一个非常独特的系统，可以用来创建新颖的设备。”

三层石墨烯可以两种独特的方式堆叠。这类似于将台球球层堆叠成三角形格子，其中球代表碳原子。

“当您堆叠两层台球时，它们的'晶体结构'是固定的，因为顶层的球必须位于底层的三角形所形成的孔中，” LeRoy实验室的三年级博士生Matthew Yankowitz解释说。在UA科学学院物理系任教。他是发表在《自然材料》杂志上的研究的第一作者。“第三层球可以以使其球在底层球上方平齐的方式堆叠，或者可以稍微偏移以使其球位于底层三角形所形成的孔上方。”

这两个堆叠构型自然可以存在于同一片石墨烯中。这两个区域由一个尖锐的边界隔开，碳六边形在该尖锐的边界处发生应变，以适应从一个堆叠模式到另一个堆叠模式的过渡。

LeRoy解释说：“由于畴壁两侧的堆叠结构不同，材料的一侧表现为金属，而另一侧表现为半导体。”

LeRoy小组的研究人员在用极尖锐的金属扫描隧道显微镜尖端施加电场探测畴壁的同时，发现他们可以移动石墨烯薄片内畴壁的位置。当他们移动畴壁时，三层石墨烯的晶体结构随之改变。

勒罗伊说：“我们的想法是，边界处会有有趣的电子效应，边界不断在我们周围移动。”“起初令人沮丧，但是一旦我们意识到发生了什么，那原来是最有趣的效果。”

通过施加电场来移动边界，现在可以首次以受控方式改变石墨烯的晶体结构。

勒罗伊说：“现在我们有了一个旋钮，我们可以旋转它来将材料从金属变为半导体，反之亦然，从而控制电子的流动。”“它基本上为我们提供了一个通断开关，这在石墨烯中还没有实现。”

虽然需要更多的研究才能将石墨烯应用于工业规模的技术应用中，但研究人员发现了石墨烯的使用方法。

Yankowitz说：“如果您使用宽电极而不是尖的尖端，则可以将两种配置之间的边界移动更远的距离，这可能使用石墨烯制造晶体管成为可能。”

晶体管是电子电路的主要组成部分，因为它们控制电子的流动。

与现在使用的硅晶体管不同，基于石墨烯的晶体管可能会非常薄，从而使设备变得更小，并且由于电子通过石墨烯的速度比通过硅的速度快得多，因此这些设备将能够实现更快的计算。

此外，硅基晶体管被制造为两种类型之一-p型或n型-而石墨烯可以同时发挥两种作用。这将使它们更便宜地生产并且在其应用中更具通用性。

研究论文“三层石墨烯中孤子运动和堆叠的电场控制”的其他贡献者包括Joel I-Jan Wang（马萨诸塞州理工大学和哈佛大学，马萨诸塞州剑桥市），A。Glen Birdwell（美国陆军研究部）马里兰州阿德菲实验室），陈玉安（MIT），渡边K.渡边和谷口T（日本筑波国家材料科学研究所），Philippe Jacquod（UA物理系），巴勃罗·圣何塞（Instituto de马德里的Ciencia de Materiales）和Pablo Jarillo-Herrero（麻省理工学院）。

出版物：Matthew Yankowitz等，“三层石墨烯中孤子运动和堆叠的电场控制”，《自然材料》，2014年； doi：10.1038 / nmat3965

研究报告的PDF副本：三层石墨烯中孤子运动和堆积的电场控制

图片：Pablo San-Jose ICMM-CSI