石墨烯传导谜底揭晓

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员已经发现了石墨烯的电子传导为何不能完全停止的原因,这是“开/关”设备的基本要求。

设备“开/关”的问题源于单层石墨烯没有带隙——其能量范围内不存在电子态。如果没有带隙,就没有办法控制或调节电子电流,我们也就无法将石墨烯利用在电子领域。伯克利实验室的研究人员已经设计出器件并通过外部电场来控制双层石墨烯中的能隙。然而,用这些设计的带隙制造设备时,设备的表现很奇怪,好像带隙中电子的传导并未停止,直到现在这都是科学界的一个谜团。

狄拉克频谱双层石墨烯两层完全对齐时(左)中间有轻微的扭曲,打破了层间耦合和潜在的对称转移,导致新的频谱角分辨光电子能谱数据大幅提高。图片来源:Keun Su Kim, Fritz Haber Institute

在伯克利实验室先进光源(ALS)工作的科学家Aaron Bostwick领导的研究团队发现,石墨烯单分子膜微小的位错叠加起来,在最后的双层石墨烯创建了一个几乎察觉不到的扭曲。它十分微小,仅有0.1度,但这种扭曲可能导致双层石墨烯的电子特性发生惊人的变化。

Bostwick说:“扭曲产生了一个能产生有质量和无质量狄拉克费米子的双层石墨烯电子结构 ,即使是在一个非常强大的电场中,无质量狄拉克费米子所产生的这种新结构依然阻止双层石墨烯完全绝缘,这从理论上解释了为什么无法利用双层石墨烯构筑器件。”

单层石墨烯没有带隙,能量范围内不存在电子态。如果没有带隙,就无法控制或调节电子电流,我们无法利用石墨烯在电子领域。伯克利实验室的研究人员已经能设计器件,通过外部电场来控制双层石墨烯中的能隙。然而,用这些设计的带隙制造设备时,设备的表现很奇怪,带隙中电子的传导并未停止。

为了解出这个谜底,Fritz Haber研究所的Rotenberg, Bostwick和 Keun Su Kim在柏林和他们的同事在ALS光束线7.0.1中进行了一系列的角度分辨光电子能谱(ARPES)实验。角分辨光电子能谱是一种用于研究固体物质电子态的技术。通过撞击在材料表面X射线光束导致的电子光电效应,测量这些光电子的动能和喷射角度取得电子光谱。

Rotenberg说:“角分辨光电子能谱和光束线7.0.1的结合使我们能够很容易地识别在双层石墨烯中电子光谱的扭曲” ,“我们观察到的频谱与理论计算中的无质量狄拉克费米子频谱完全不同。这些新的无质量狄拉克费米子受对称双绞线层影响以一个完全意想不到的方式移动。”

无质量狄拉克费米子,这种电子如光子一样,不受传统电子带隙的约束。在研究中,科学家们指出,在双层石墨烯的制备过程中生成此类无质量狄拉克费米子几乎是不可避免的,这可以解释在双层石墨一平方微米中只有十个原子的结果。

Kim说:“现在,我们理解了这个问题,就可以寻找解决方案。举个例子,我们可以尝试开发制造最大限度地减少扭曲效应的技术,或减少我们制造的双层石墨的大小,使我们有更多的机会获得纯净的石墨烯结构”。

除了解决双层石墨烯谜团,Kim和他的同事们还表示,扭曲的发现建立了一个新的研究体系,可以更准确地预测双层石墨烯的各种基本属性。他说:“在这里学到的一个教训是,在全面、准确地描述材料的电子特性时,即使是这样一个微小的在原子尺度上的结构扭曲也不容忽视。”

原文:Graphene conduction mystery solved

翻译:晏梦雨