科学家发现双层石墨烯的微小扭曲，解决了一个长期的谜团

双层石墨烯的DIRAC光谱与两层精确对齐（左）换档，其中稍微中间层捻度断开层间耦合和潜在对称性，导致具有令人惊讶地在ARPES数据中具有令人惊讶强烈签名的新频谱。图片礼貌的王苏金

伯克利实验室研究人员已经解决了一个长期难题，发现在石墨烯单层堆叠中出现微妙的错位，在最终的双层石墨烯中产生几乎难以察觉的扭曲，即使在非常强的电场下也可以防止石墨烯变得完全绝缘。

与美国能源部（DOE）的劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的研究人员发现了一个独特的新扭曲，对石墨烯的故事，纯碳床单只有一个原子厚，而且在过程中似乎已经解决了封锁设备开发的神秘面纱。

电子可以在几乎光速速度通过石墨烯比赛 - 比通过硅的移动快100倍。除了SuperPhin和Superfast时，在进行电子时，石墨烯还也是Superstrong和SuperFlexible，使其成为电子和光子域内的潜在巨星材料，这是一系列设备的基础，从超速率晶体管开始。然而，一个大问题一直是石墨烯的电子传导不能完全停止，这是开/关设备的基本要求。

ON / OFF问题源于石墨烯的单层没有带隙的 - 没有电子状态的能量范围。在没有带隙的情况下，没有办法控制或调制电子电流，因此无法充分实现电子和光子器件中石墨烯的巨大承诺。伯克利实验室研究人员能够通过应用外部电场来工程在双层石墨烯中精确控制的带隙。然而，当使用这些工程化带隙进行器件时，器件奇怪地表现，好像那些带隙中的传导没有停止。为什么这样的设备没有泛滥是一个科学的谜团到目前为止。

在伯克利实验室的先进光源（ALS），一名由ALS科学家领导的研究团队，AARON BOSTWICK的研究团队发现，在石墨烯单层堆叠中出现微妙的未对准，在最终双层石墨烯中创造了几乎难以察觉的扭曲。微小的是 - 小于0.1度 - 这种扭曲可能导致双层石墨烯的电子特性发生令人惊讶的强烈变化。

“扭曲的引入在双层石墨烯中产生了一个完全新的电子结构，产生了大量和无抽质的Dimions，”Bostwick说。“即使在一个非常强大的电场下，通过这种新结构产生的无大量的Dirac Fermion分支即使在非常强的电场下也可以完全绝缘。这解释了为什么双层石墨烯没有在基于完美或无捻的双层石墨烯的实际装置中脱颖而出。“

Bostwick是一篇论文的相应作者，描述了符合“在对称和破碎的双层石墨烯中共存的巨大和无抽炎Dimions”的“共存大规模和无抽炎DILAC FEMITE”的杂志。柏林弗里茨·哈伯研究所的克苏金是领先作者，其他同志是Andrew Walter，Luca Moreschini，Thomas Seyller，Karsten Horn和Eli Rotenberg，他监督Als Beamline 7.0.1的研究。

Rotenberg，Bostwick，Kim及其共同作者通过在ALS BeamLine 7.0.1的一系列角度分辨的光曝光光谱（ARPES）实验中进行了一系列角度分辨的光曝光光谱（ARPES）实验来解决双层石墨烯神秘。ARPE是研究一种用于研究一种固体材料的电子状态的技术，其中撞击材料表面的X射线光子的光束导致电子的光曝光。然后测量这些光电子的动能和它们被弹出的角度以获得电子谱。

“ARPES和BeamLine 7.0.1的组合使我们能够轻松地识别双层石墨烯中的扭曲的电子光谱，”Rotenberg说。“我们观察到的光谱与假设的频谱非常不同，并且包含由无麻的Diamions组成的额外分支。这些新的无大量的Diamions以完全意外的方式移动由对称扭曲层的定控。“

基本上表现出的无阻塞小米蒙斯，电子的基本上是光子的，不受传统电子的相同的带隙约束。在他们的自然材料论文中，作者说明了产生这种无阻塞光栅光谱的曲线在制作双层石墨烯中可能几乎不可避免，并且可以在平方米的双层石墨烯中仅引入10个原子不足。

“现在我们了解问题，我们可以搜索解决方案，”Lig Author Kim说。“例如，我们可以尝试开发制造技术，以最小化扭曲效果，或减小双层石墨烯的尺寸，我们使我们有更好的生产局部纯材料。”

除了解决双层石墨烯的谜语之外，金和他的同事们表示，这种扭曲的发现建立了一种新的框架，可以更准确地预测双层石墨烯的各种基本特性。

“这里学到的教训是，即使是这种原子尺度材料的微小结构变形也不应被忽略，以完全准确地描述这些材料的电子性质，”Kim说。

这项研究得到了美国能源部科学办公室的支持。

出版物：Keun Su Kim等，“在对称破碎的双层石墨烯中共存大规模和无抽炎的Dimions，”自然材料，2013; DOI：10.1038 / NMAT3717

图像：克苏金