物理學家發現如何改變石墨烯的晶體結構

石墨烯三層可以兩種不同的結構堆疊，可以自然地出現在同一薄片中。它們之間有一個清晰的邊界。

一組研究人員發現了如何改變石墨烯的晶體結構，這一發現可能導致更小，更快的微處理器。

亞利桑那大學領導的物理學家團隊發現了如何通過電場來改變石墨烯的晶體結構（通常稱為鉛筆芯），這是朝著比更小和更快的微處理器中使用石墨烯邁出的重要一步。當前的基於矽的技術。

石墨烯由極薄的石墨片組成：用鉛筆書寫時，石墨烯片會從鉛筆的石墨芯上脫落並粘在頁面上。如果放在高功率電子顯微鏡下，石墨烯會顯示出其片狀結構的交聯碳原子，類似於金屬絲。

UA物理學家發現，當受到電場操縱時，材料的一部分會從金屬行為轉變為半導體行為。

石墨烯是世界上最薄的材料，需要300,000張紙才能達到人發或紙的厚度。科學家和工程師對它感興趣，因為它可能在微電子設備中應用，希望將我們從矽時代推向石墨烯時代。棘手的部分是控制電子通過材料的流動，這是使電子在任何類型的電子電路中工作的必要先決條件。

LeRoy和他的合作者使用鋒利的金屬掃描隧道顯微鏡頭，可以在兩個石墨烯結構之間移動疇邊界。

UA物理學副教授Brian LeRoy和他的合作者通過證明電場能夠控制由三層石墨烯組成的三層石墨烯的晶體結構，為實現該目標掃清了障礙。

大多數材料都需要高溫，高壓或同時改變溫度和壓力來改變其晶體結構，這就是石墨不自發地轉變成金剛石或反之亦然的原因。

LeRoy說：「一種材料僅通過施加電場來改變其晶體結構是極為罕見的。」 「製造三層石墨烯是一個非常獨特的系統，可以用來創建新穎的設備。」

三層石墨烯可以兩種獨特的方式堆疊。這類似於將撞球球層堆疊成三角形格子，其中球代表碳原子。

「當您堆疊兩層撞球時，它們的&39;是固定的，因為頂層的球必須位於底層的三角形所形成的孔中，」 LeRoy實驗室的三年級博士生Matthew Yankowitz解釋說。 UA理學院的物理系。他是發表在《自然材料》雜誌上的研究的第一作者。「第三層球可以以這樣的方式堆疊：其球與底層的球齊平，或者可以稍微偏移以使其球位於底層的三角形所形成的孔上方。」

這兩個堆疊構型自然可以存在於同一片石墨烯中。這兩個區域由一個尖銳的邊界隔開，碳六邊形在該尖銳的邊界處發生應變，以適應從一個堆疊模式到另一個堆疊模式的過渡。

LeRoy解釋說：「由於疇壁兩側的堆疊結構不同，材料的一側表現為金屬，而另一側表現為半導體。」

在用極尖銳的金屬掃描隧道顯微鏡尖端施加電場探測疇壁時，LeRoy小組的研究人員發現他們可以在石墨烯薄片內移動疇壁的位置。當他們移動疇壁時，三層石墨烯的晶體結構隨之改變。

勒羅伊說：「我們的想法是，邊界處會產生有趣的電子效應，邊界不斷在我們周圍移動。」 「起初令人沮喪，但是一旦我們意識到發生了什麼，那原來是最有趣的效果。」

通過施加電場來移動邊界，現在可以首次以受控方式改變石墨烯的晶體結構。

勒羅伊說：「現在我們有了一個旋鈕，我們可以旋轉它來將材料從金屬變為半導體，反之亦然，以控制電子的流動。」 「它基本上給了我們一個通斷開關，這在石墨烯中還沒有實現。」

在將石墨烯應用於工業規模的技術應用之前，需要進行更多的研究，但研究人員發現了石墨烯的使用方法。

Yankowitz說：「如果您使用寬電極而不是尖的尖端，則可以將兩種配置之間的邊界移動更遠的距離，這可能使用石墨烯製造電晶體成為可能。」

電晶體是電子電路的重要組成部分，因為它們控制電子的流動。

與現在使用的矽電晶體不同，基於石墨烯的電晶體可能會非常薄，從而使設備變得更小，並且由於電子通過石墨烯的速度比通過矽的速度快得多，因此這些設備將能夠實現更快的計算。

此外，矽基電晶體被製造為兩種類型之一（p型或n型），而石墨烯可以同時發揮兩種作用。這將使它們的生產成本更低，並且在其應用中更加通用。

研究論文「三層石墨烯中孤子運動和堆疊的電場控制」的其他貢獻者包括Joel I-Jan Wang（麻薩諸塞州理工大學和哈佛大學，麻薩諸塞州劍橋市），A。Glen Birdwell（美國陸軍研究部）馬裡蘭州阿德菲實驗室，陳玉安（MIT），渡邊K.和谷口T（日本筑波國家材料科學研究所），Philippe Jacquod（UA物理系），巴勃羅·聖何塞（Instituto de馬德裡的Ciencia de Materiales）和Pablo Jarillo-Herrero（MIT）。