導讀
據美國普渡大學官網近日報道，該校與密歇根大學、中國華中科技大學的研究人員們進行合作，向我們展示了一種激光技術是如何長期地向石墨烯施加應力，使之擁有帶隙。
背景
2004年，英國曼徹斯特大學教授安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫從石墨薄片中剝離出了石墨烯。從那時起，石墨烯憑藉其獨特的性能，成為了科學界與工業界關注的熱點。它曾被譽為“新材料之王“，對於整個產業的影響可能是顛覆性的。
（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）
石墨烯具有單層碳原子組成的蜂窩狀結構。這種超薄材料的厚度僅為人類髮絲直徑的百萬分之一。但是，它的強度卻勝過鋼鐵百倍，且導電、導熱性能極佳。這意味著，石墨烯中的電子移動得要比在如今常用的硅中更快。
（圖片來源：石墨烯旗艦項目）
雖然導電性能卓越，但是石墨烯中的電子運動得有些“野蠻”。當電子通過石墨烯時，仍然保持直線與高速，無法受到阻止和控制。因此，石墨烯並不適用於半導體。
眾所周知，硅是如今最廣泛應用的半導體材料，其帶隙足夠大，可以用於“開”或“關”電流。這種能力對於構成現代二進制計算機的關鍵元件晶體管來說至關重要。令人遺憾的是，石墨烯卻不具備這樣的帶隙。
經過鏡面精加工的硅晶圓（圖片來源：維基百科）
要做到真正有用，石墨烯就需要能夠開關電流，就像硅在計算機芯片上以數十億個晶體管的形式所實現的。這種開關機制創造出一連串的0與1，而計算機正是通過這些二進制數來處理信息的。
（圖片來源：謝菲爾德大學）
創新
近日，美國普渡大學、密歇根大學與中國華中科技大學的研究人員們進行合作，向我們展示了一種激光技術是如何長期地向石墨烯施加應力，使之擁有一種可以控制電流流動的結構。
這種結構就是所謂的“帶隙”。電子需要躍過帶隙，變成導電電子，從而可以攜帶電流。可是，石墨烯卻沒有與生俱來的帶隙。
他們的研究發表在《先進材料（Advanced Materials）》期刊上。
技術
普渡大學的研究人員們創造並拓寬石墨烯中的帶隙，使之達到一項記錄：2.1電子伏特。為了實現諸如硅這樣的半導體的功能，帶隙至少要達到之前0.5電子伏特的記錄。
（圖片來源：Gary Cheng/普渡大學）
普渡大學工業工程系教授 Gary Cheng 的實驗室研究了使石墨烯更加適合商業應用的多種方法。他表示：“這是首次通過一種方法，就像通過化學摻雜，實現如此高的帶隙，而不會影響石墨烯本身的性能。”
帶隙的出現，使半導體材料可以根據電子能否通過帶隙，在絕緣與導電的狀態之間切換。
研究人員們採用了一項稱為“激光衝擊壓印”的技術，讓帶隙結構永久地存在於石墨烯中。2014年，Cheng 與哈佛大學、馬德里高等研究所以及加州大學聖迭戈分校的科學家們共同開發了這項技術。
在這項研究中，研究人員們採用激光創造出衝擊波脈衝，這個脈衝滲透到下層的石墨烯薄片中。激光衝擊波使得石墨烯產生應變，形成一種溝槽狀模型，並長期地保持這種形狀。帶隙可以通過激光器的功率來調整。
價值
研究人員稱，超越0.5電子伏特，釋放了石墨烯在新一代電子器件中的更多潛能。
Cheng 表示：“過去，研究人員們是通過簡單地拉伸石墨烯打開帶隙，但只是拉伸無法使帶隙增寬許多。你需要永久地改變石墨烯的形狀，從而保持帶隙被打開。”
Cheng 及其合作伙伴不僅保持石墨烯中的帶隙被打開，而且也使得帶隙的寬度可以在零到2.1電子伏特之間調整。這就使科學家與製造商們可以根據他們想要石墨烯去做的事情，只利用石墨烯的某種特性。
Cheng 表示，雖然離將石墨烯變成半導體器件還有很長的路要走，但是這項技術使我們可以更加靈活地利用石墨烯材料的光學、磁學和熱學特性。
關鍵字
石墨烯、帶隙、激光、半導體
參考資料
【1】Maithilee Motlag, Prashant Kumar, Kevin Y. Hu, Shengyu Jin, Ji Li, Jiayi Shao, Xuan Yi, Yen‐Hsiang Lin, Jenna C. Walrath, Lei Tong, Xinyu Huang, Rachel S. Goldman, Lei Ye, Gary J. Cheng. Asymmetric 3D Elastic–Plastic Strain‐Modulated Electron Energy Structure in Monolayer Graphene by Laser Shocking. Advanced Materials, 2019; 31 (19): 1900597 DOI: 10.1002/adma.201900597
【2】https://www.purdue.edu/newsroom/releases/2019/Q2/laser-technique-could-unlock-use-of-tough-material-for-next-generation-electronics.html
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