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石墨烯材料迎来下一站!

  

2018 年,MIT 的一支团队曾实现通过让两张厚度为单个碳原子直径的石墨烯薄片叠在一起,并让两张的相对朝向呈一特定倾角,再对薄片施加电场,使叠起来的石墨烯薄片能从导体变为绝缘体然后再变为超导体,该研究象征着一个 “用单一化学材料构建电子元件” 的新兴材料研究领域 “Twistronics” 的诞生。

石墨烯材料性质发生变化的关键在于薄片被扭动的角度,当薄片被旋转 1.1° 时,材料表面会出现大范围的 “摩尔纹” 图案,这会使成千上万聚在一起的原子对外界的反应一致,并通过这种原子群的 “群体反应” 使一定数量的电子能被施加的电场摆到特定位置,进而实现材料本身特性从导体到绝缘体、再到超导体的转变。

 

| 一层石墨烯薄片被精准旋转后与另一层没旋转的薄片交叉形成的摩尔纹图案示意图(来源:Science

 

目前,包括 MIT 的团队在内,Twistronics 领域的两支顶级团队正致力于用调整过叠放状态的石墨烯构建电子元件,并已成功实现能捕获和控制单个电子和光子的基础元件开发。

而根据一篇于最近发表的论文,上述两支团队的研究人员已成功实现通过拍打金属的特性 “开关” 图案,来使薄片的不同区域受不同强度的电场影响并形成不同特性,他们还借此构建出一种名为 Josephson 的装置,这是一种两层超导夹着一层非超导的三明治结构装的用于控制材料超导性的装置,常被用于制造磁感脑电信号监测设备的超敏磁力计。

此外,研究人员还开发了一种基于该方法的可控制电子运动的晶体管,未来或可用于缩小电路构造并降低电路的耗能。

目前来看,这种石墨烯材料构建电子元件的方法,短期内可能还无法进军消费类硅制电子产品,虽然石墨烯材料本身在制造上很容易(最简单的方法是把强力胶带贴在石墨上然后再撕下来),但若想实现石墨烯的超导则需要将其保存在接近绝对零度的环境中,而由于石墨烯薄片容易在被旋转的过程中“起皱”,将薄片精准地旋转一个角度也并不容易,因此目前业内尚无能将这种材料用于量产电子元件的有效方法。

参与研究的团队负责人 Jarillo-Herrero 说:“按这种方法制造一个真正意义上的复杂设备需要成千上万的石墨烯衬底,但我们目前并没有技术制造这么多石墨烯衬底并将它们按所需的方式组合在一起。”

虽然我们目前离用石墨烯材料制造电子元件还有一段距离,但用这种方法制造的好处在于材料中所有的原子都是碳,并不存在现有混合材料研发所需面临的元素搭问题,这是因为不同元素按不同方法和形式搭配,可能会对结果带来不同影响。

这相当于是为材料学家们在材料性质的操控上提供了一种 “前所未有” 的自由度,而如果这种自由度在未来真的能被实现,基于石墨烯的纯碳电子元件将有望能简化量子计算机的设计,比如谷歌和 IBM 的量子计算机都是通过同时操控多个 Josephson 装置来构建量子位,而基于石墨烯的纯碳 Josephson 装置则有望能使量子位的构建变得更简单。

此外,哈佛大学的一支团队在今年 4 月时曾提出一种基于石墨烯材料的单个红外光子的检测设备,其能帮助天文学家们在天文研究中捕获早期宇宙所放出的微弱光信号。

虽然基于石墨烯材料的纯碳元件制造领域仍处于起步阶段,但其在未来能为材料学带来影响或是 “革命性” 的。Twistronics 领域的开创团队之一的负责人、美国新泽西州 Rutgers 大学的凝聚态物理学家 Eva Andrei 说:“这是一种不用借助化学(不同元素的材料混合方法)就能制造材料的方法,材料学的发展或已因此进入一个新的时代。”