物理学家发现如何改变石墨烯的晶体结构

改变石墨烯的晶体结构

石墨烯三层可以堆叠成两种不同的构型,这种构型可以自然地出现在同一薄片中。他们被清晰的边界隔开。(图片来源:Pablo San-Jose ICMM-CSI)

一组研究人员发现了如何改变晶体结构石墨烯,这一发现可能会导致更小更快的微处理器。

亚利桑那大学(University of arizona)领导的一个物理学家团队发现了如何利用电场改变石墨烯(通常被称为铅笔芯)的晶体结构,这是石墨烯可能用于微处理器的重要一步,该微处理器将比目前的硅基技术更小、更快。

石墨烯由极薄的石墨薄片组成:当用铅笔写字时,石墨烯薄片从铅笔的石墨芯上脱落并粘在纸上。如果放在高倍电子显微镜下,石墨烯显示出其交联碳原子的片状结构,类似于铁丝网。

UA的物理学家们发现,在电场的作用下,材料的部分性质会从金属转变为半导体。

石墨烯是世界上最薄的材料,需要30万张石墨烯,其厚度相当于一根头发或一张纸。科学家和工程师对它感兴趣是因为它可能在微电子设备上的应用,希望推动我们从硅时代到石墨烯时代。棘手的部分是控制通过这种材料的电子流量,这是让这种材料在任何类型的电子电路中工作的必要前提。

物理学家发现如何改变石墨烯的晶体结构

LeRoy和他的合作者使用锋利的金属扫描隧道显微镜尖端,能够移动两个石墨烯构型之间的畴边界。(图片来源:Pablo San-Jose ICMM-CSI)

Brian Leroy,UA物理学副教授,他的合作者通过表明电场能够控制三层石墨烯的晶体结构 - 由三层石墨烯组成,通过朝向该目标清除了该目标的障碍。

大多数材料都需要高温、高压或两者兼有才能改变其晶体结构,这就是为什么石墨不能自发地变成金刚石或反之亦然的原因。

LeRoy说:“仅仅通过施加电场就能改变一种材料的晶体结构是极其罕见的。”“制作三层石墨烯是一种非常独特的系统,可以用来创建新设备。”

三层石墨烯可以以两种独特的方式堆叠。这类似于在三角形晶格中堆叠台球层,球代表碳原子。

“当你叠两层台球球,他们的“晶体结构”是固定的,因为球的顶层必须坐在洞形成的三角形的底层,”马修Yankowitz解释说,三年级博士生在罗伊的实验室在UA理学院物理系。他是该研究的第一作者,发表在《自然材料》杂志上。“第三层球的堆叠方式可以是,它的球与底层的球齐平,或者它可以稍微偏移,使它的球位于底层三角形形成的洞的上方。”

这两种堆叠结构可以自然地存在于同一片石墨烯中。这两个域被一个尖锐的边界分隔,在那里碳六边形被拉伸以适应从一个堆叠模式到另一个堆叠模式的转变。

LeRoy解释说:“由于畴壁两侧的堆叠配置不同,材料的一边表现为金属,而另一边表现为半导体。”

LeRoy小组的研究人员在用极锋利的金属扫描隧道显微镜尖端施加电场探测畴壁时发现,他们可以移动石墨烯薄片中的畴壁位置。当他们移动畴壁时,三层石墨烯的晶体结构随之改变。

“我们有了这个想法,在边界上会有有趣的电子效果,并且边界保持在我们身上,”Leroy说。“一开始这是令人沮丧的,但一旦我们意识到发生了什么,就证明是最有趣的效果。”

通过施加电场来移动边界,这是第一次有可能以可控的方式改变石墨烯的晶体结构。

“现在我们有了一个旋钮,可以把金属材料变成半导体,反过来控制电子的流动,”LeRoy说。“它基本上给了我们一个开关,这在石墨烯上还没有实现。”

虽然石墨烯需要在工业规模的技术应用中应用更多的研究,但研究人员可以看到它可以使用的方式。

Yankowitz说:“如果使用宽电极而不是尖电极,就可以将两种结构之间的边界移得更远,从而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部件,因为它们控制着电子的流动。

与目前使用的硅晶体管不同,石墨烯晶体管可以非常薄,使设备更小,而且由于电子通过石墨烯的速度要比通过硅的速度快得多,该设备可以实现更快的计算速度。

此外,基于硅的晶体管被制造成两种类型中的一种——p型或n型,而石墨烯可以同时作为两种类型。这将使它们的生产成本更低,而且在应用方面更多才多艺。

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(麻省理工学院和哈佛大学),A. Glen Birdwell(美国陆军研究实验室,Adelphi,马里兰州),Yu-An Chen (麻省理工学院)、K. Watanabe和T. Taniguchi(日本筑波国家材料科学研究所)、Philippe Jacquod(亚利桑那大学物理系)、Pablo San-Jose(马德里Ciencia de Materiales研究所)和Pablo Jarillo-Herrero(麻省理工学院)。

出版: Matthew Yankowitz等,“电场控制在三层石墨烯中的孤子运动和堆积”,《自然材料》,2014;doi: 10.1038 / nmat3965

这项研究的副本:三层石墨烯孤子运动与堆积的电场控制

图片:Pablo San-Jose ICMM-CSI

1评论关于“物理学家发现如何改变石墨烯的晶体结构”

  1. 丹尼尔,

    告诉你一声。铅笔里的东西就是石墨。石墨烯铅笔可能不会写得那么好。伟大的文章。

    (“如何改变石墨烯的晶体结构,m e r o̶̶̶̶̶̶c o̶̶m o n y l̶̶̶̶̶̶̶k n o w̶̶̶̶̶̶s̶̶̶p l我e n c̶̶̶̶̶̶l e̶̶̶̶d”)

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