由美國哥倫比亞大學(xué)，日本筑波國立材料科學(xué)研究所和法國國家科學(xué)研究中心（CNRS）組成的國際研究團(tuán)隊突破了此前在扭轉(zhuǎn)石墨烯上所面臨的限制，帶來控制材料電子特性的新方法。研究成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

圖為研究結(jié)果示意圖

研究背景

對于研究石墨烯的團(tuán)隊而言，在石墨烯中加入帶隙已幾乎成為一種通行儀式。雖然許多人已經(jīng)完成了這一壯舉，但更多的人已經(jīng)在數(shù)字邏輯應(yīng)用中放棄了石墨烯，因為不得不給它一個帶隙。事實證明，所有這些石墨烯的工程化都揭示了另一個特征：可調(diào)電子特性，這可通過將石墨烯與氮化硼等另一種具有非常大帶隙的材料組合來實現(xiàn)，即所謂的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，也可通過扭轉(zhuǎn)石墨烯來實現(xiàn)。

研究進(jìn)展

研究團(tuán)隊展示了使用石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)的原理。他們的技術(shù)不僅可以控制石墨烯的扭轉(zhuǎn)，還可動態(tài)改變器件的電學(xué)，光學(xué)和機(jī)械性能。這種新技術(shù)可改變石墨烯相對于氮化硼的扭轉(zhuǎn)角度，甚至在制造后改變角度，研究人員相信此突破會帶來新型電子設(shè)備。

原理說明

石墨烯與其他二維（2D）材料的這種扭轉(zhuǎn)都可實現(xiàn)，因為它們之間的摩擦非常小。同樣，晶格之間沒有強(qiáng)烈的化學(xué)鍵合，因此它們?nèi)菀紫嗷セ瑒?。哥倫比亞大學(xué)副教授，該研究的作者之一Cory Dean表示，研究人員意識到低滑動摩擦的好處之一是可通過有意設(shè)計使器件旋轉(zhuǎn)。

Dean說，“在制造過程中，我們將材料結(jié)構(gòu)設(shè)置為可以齒輪形狀旋轉(zhuǎn)，然后我們使用此前開創(chuàng)性的技術(shù)來機(jī)械地拾取這種納米尺寸的齒輪（在這種情況下是氮化硼），并將其放置在有源器件區(qū)域的頂部（在這種情況下是石墨烯）。一旦放置到位，我們使用原子力顯微鏡推動齒輪的一個齒，使其旋轉(zhuǎn)。”

當(dāng)石墨烯和氮化硼像這樣相互扭轉(zhuǎn)時，電子特性會發(fā)生復(fù)雜變化。氮化硼和石墨烯具有相似的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，其晶格中僅有輕微的不匹配。當(dāng)它們以零角度對準(zhǔn)接觸時，晶格中的小差異產(chǎn)生長波長莫爾圖案或干涉圖案。這種莫爾條紋圖案反映了兩個晶格局部從幾乎相稱過渡到最大不相稱的長度尺度。對于穿過石墨烯層的電子，莫爾超晶格的作用類似于周期性散射電位。電子從這種莫爾超晶格中散射出來，從而改變了它們的能帶結(jié)構(gòu)。在零角度時，這產(chǎn)生帶隙。當(dāng)角度從零增加時，莫爾圖案的長度尺度改變且影響減小，當(dāng)超過約5度，穿過石墨烯的電子受氮化硼影響非常小，并恢復(fù)石墨烯的固有性質(zhì)。Dean表示，根據(jù)器件工程的觀點，通過簡單的扭轉(zhuǎn)來動態(tài)改變材料的基本電子響應(yīng)的能力是傳統(tǒng)材料難以實現(xiàn)的一種新型控制能力。

意義

Dean說：“通過改變扭轉(zhuǎn)角來調(diào)整分層材料特性的能力為單一材料平臺提供了執(zhí)行各種功能的可能性，例如，電子電路由有限數(shù)量的組件構(gòu)成，包括金屬導(dǎo)體，絕緣體，半導(dǎo)體和磁性材料。該過程需要集成各種不同的材料，并且可能帶來重大的工程挑戰(zhàn)。相比之下，可通過在局部扭轉(zhuǎn)以實現(xiàn)上述功能器件的單一材料會帶來新的重大工程機(jī)會?！?/p>

這種可調(diào)性的一個直接例子可能來自開關(guān)領(lǐng)域。傳統(tǒng)開關(guān)通常在兩個明確定義的狀態(tài)（開或關(guān)，磁性或非磁性等）之間變化。這個新平臺可以在任意數(shù)量的互補(bǔ)狀態(tài)之間切換。

下一步工作

到目前為止，研究人員只研究了石墨烯和氮化硼。然而還有一大類2D材料可以相互集成，這些材料具有各種固有屬性（金屬，絕緣，半導(dǎo)體，磁性，超導(dǎo)等）。它們?nèi)绾尉_耦合以及這些屬性如何相互作用通常依賴于在旋轉(zhuǎn)角度上。Dean補(bǔ)充說：“扭轉(zhuǎn)這些新異構(gòu)結(jié)構(gòu)的能力為實現(xiàn)具有互補(bǔ)性質(zhì)的材料之間相互作用的可調(diào)諧提供了巨大的新機(jī)會。”