少即是多:揭示石墨烯导电水平


  你知道铅笔中的铅会彻底地改变世界吗?石墨烯这种材料的制备采用了石墨,就是2号铅笔芯。这也是最新的“神奇材料”,并可能成为电子行业下一个巨大的希望,将创造极其快速的电子设备。北卡罗莱纳州立大学(North Carolina State University)的研究人员发现了一个基本障碍,在利用石墨烯时,他们证明,导电性显着降低是因为多个层存在。

  石墨烯的结构就使得它很有前景,可以用于电子产品。由于它的碳原子排列方式,它的电子就非常活跃。移动电子就意味着,材料应具有高导电性。但是,北卡罗来纳州立物理学家马可•柏乔诺-纳德利(Marco Buongiorno-Nardelli)博士和北卡州立大学电子和计算机工程博士齐•文金姆(Ki Wook Kim)想找到一种方法,研究石墨烯的“真正”行为,看看是否真的是这种情况。

  “你可以谈论石墨烯的电子结构,但必须考虑到,那些电子不是孤立地存在于材料中,”纳德利说。“有杂质,最重要的是,有振动出现于材料原子中。电子遇到并互动这些振动,这就会影响材料的导电性。“

  纳德利,金姆以及研究生考斯特亚•包里森考(Kostya Borysenko)和杰夫•马伦(Jeff Mullen)开发了一个计算机模型,可以预测石墨烯的实际导电性,每个都是单层。但采用双层形态,两层石墨烯上下叠放。重要的是要研究这种双层模式,因为实际的电子设备无法工作,是因为只有一个单层材料存在。

  “你制备半导体,不能只用一个单层石墨烯,”纳德利说。“为了制成一个设备,导电材料必须有一种方法,可以打开和关闭。而双层材料就提供了这样的性能。“

  提供协助的高性能计算机来自橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratories),北卡罗莱纳州立大学的小组发现的,有好消息,也有坏消息,都是有关石墨烯的。他们的研究结果刊登在4月15日一期的《物理评论B》上。

  因为是单层石墨烯,所以就显示出流动性和电导性,研究人员模拟显示的结果大大高于他们原来的设想。但是,这个好消息被抵消了,原因是还有双层状态的结果。

  “我们预计,电子电导率在双层石墨烯中可能会差点,原因是以某种方式振动的原子是在各个单层,它们彼此互动,”马伦说。“令人惊讶的是,我们发现了移动的电子在双层石墨烯中的大约数量级,这个数量级低于在单层石墨烯片中的情形。”

  “这个降幅是巨大的,但是,即使是这个降低的数量也高于许多传统半导体,”包里森考补充说。

  纳德利说,北卡州立大学的研究人员正在把注意力转向解决这个问题。

  “如果我们把石墨烯放在一种基质上,这种基质就可以“吸走”电流产生的一些热量,那么晶体振动就会减少,流动性就会增加。这是我们的下一步骤。运行模拟的石墨烯与基质,它们具有这样的属性。”