美國開發新型「魔角石墨烯」有望用於軍用夜視領域

2020-08-05 國防科技要聞

導語

在美國國家科學基金會、海軍研究辦公室、陸軍研究辦公室的資助下，美國耶魯大學和德克薩斯大學的研究團隊揭示了「魔角石墨烯」導電性能在中紅外光作用下的響應機理。該研究有望應用於軍用高靈敏度紅外夜視探測器。

背 景

美國開發新型「魔角石墨烯」有望用於軍用夜視領域

石墨烯是一層以扁平蜂窩狀排列的碳原子，因其優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。近年來關於石墨烯的研究已由單層的二維結構拓展到雙層結構，即雙層石墨烯。通過將雙層重疊石墨烯進行微量的角度偏移可得到「魔角石墨烯」，該結構可實現與單層石墨烯顯著不同的電學性能。2018年，麻省理工學院證明了將兩層石墨烯層扭曲1.1度可產生二維超導體，該超導體是一種無電阻且無能量損失的導電材料。2019年，俄亥俄州立大學研究表明當偏移0.93度時，「魔角石墨烯」可同時顯示超導狀態與絕緣狀態。這種超導電性和絕緣性使「魔角石墨烯」成為研究熱門，但尚未有研究表明其工作機理。

研究內容

為充分探究「魔角石墨烯」機理並推廣其應用，耶魯大學和德克薩斯大學聯合開展研究。首先，研究人員將雙層石墨烯扭轉，網格中出現了一種新的周期性圖案——莫爾圖案。新的莫爾圖案也是六邊形，但可以由10000多個碳原子組成。並且扭曲角越小，莫爾圖案的周期性就越大。兩層石墨烯錯位的扭曲角對材料的導電性能至關重要。其次，常規晶體的能帶結構和光吸收率可通過標準算法獲得，但對於雙層石墨烯這種人造晶體，研究人員提出了一種新的計算方法，並利用德克薩斯大學的超級計算機計算了能帶結構並展示了材料如何吸收光。最後，研究人員製造了由六方氮化硼（hBN）封裝的雙層石墨烯器件並進行了實驗，結果表明石墨烯器件在中紅外光照射下導電性顯著增強，並且在1.8度的扭曲角處達到最大。當扭曲角小於0.5度時，這種顯著的光響應逐漸消失。該實驗結果與莫爾圖案周期性理論吻合，從根本上闡明了雙層石墨烯通過扭曲實現獨特導電性的機理。

美國開發新型「魔角石墨烯」有望用於軍用夜視領域

「魔角石墨烯」扭曲一定角度產生莫爾圖案

研究意義

扭曲角對「魔角石墨烯」的性質至關重要，這種方法可以推廣應用到其他二維材料。研究人員下一步將致力於「魔角石墨烯」的光響應和超導特性的集成研究。美陸軍研究辦公室固態電子學和電磁學項目經理表示，這項新突破將可能應用於基於石墨烯的新型高靈敏度紅外探測器，而這類新型探測器則有望應用到對美陸軍至關重要的夜視領域。

如需轉載請註明出處：「國防科技要聞」（ID：CDSTIC）

來源 | 美國物理學組織網站

圖片 | 網際網路

作者 | 白子龍 北方科技信息研究所

編輯 | 張岸佳

註：原文來源網絡，文中觀點不代表本公眾號立場，相關建議僅供參考。

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    Nature 連刊兩文報導了團隊的這一 「魔角石墨烯」 發現，第一作者均為當時年僅 21 歲的麻省理工學院博士生曹原。曹原因此開創性工作入選 「2018 年度十大人物」 榜單，成為該領域的風向標人物。最新的兩篇背靠背文章，探討用同樣的方法應用於其他二維材料體系，繼續完善 「魔角石墨烯」 相關的理論和實驗研究。基於 「魔角石墨烯」 的一系列發現，有望在未來應用到諸如能源、電子、環境科學和計算機產業等領域。
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    新華社北京12月28日電（記者張瑩）英國物理學會主辦的《物理世界》雜誌近日公布由其評出的2018年十大突破，美國麻省理工學院主導的團隊用「魔角」石墨烯實現超導位居榜首，被認為在量子計算等領域有巨大應用潛力。
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