研究石墨烯等二維材料的電子特性：科學家有新招！

導讀

石墨烯，是一種具有優異導電、導熱、強度特性的新材料。為了進一步研究其電子特性，韓國複雜系統理論物理中心（PCS）和韓國標準科學研究院（KRISS）的科研人員，通過一種新光譜學平台，使用模型對於石墨烯的電子結構進行解釋。這項研究發表於《納米快報》（Nano Letters）雜誌，它有利於促進未來對於二維材料電子結構進行穩定且準確的量子測量。

二維材料

最近，學術界和工業界對於二維材料的興趣都呈指數級上升。這些材料由極薄的片組成，相對於傳統的三維材料來說，它的物理特性不同。

進一步說，當不同的二維材料彼此堆疊在一起的時候，會呈現出新的電氣、光學、熱學特性。

石墨烯

這些二維材料其中最有前途、研究最多的即是石墨烯。

石墨烯，是一種性能極佳的新材料。它由碳原子構成蜂窩狀結構，只有一層原子的厚度。由於它具有不同尋常的結構，所以在強度、導電、導熱性能方面都十分優秀，有「新材料之王」的美譽，對於整個產業的影響可能是顛覆性的。

石墨烯電子特性研究

為了研究單層和雙層石墨烯的電子特性，研究團隊設計了一個特殊的納米設備。

它是一種三明治狀的結構，由一層石墨烯夾在兩層絕緣的「六邊形氮化硼」 (hBN)中間構成。設備的頂部使用石墨作為電極，石墨基本上是由成百上千層的石墨烯組成。而設備的底部，則由一層硅和一層二氧化硅組成。

通過調整施加於石墨和硅的電壓，科學家測量了石墨烯導電性能的變化，這種變化反應出石墨烯的電子特性。

石墨烯電子具有一種特殊的能量結構，稱為「狄拉克錐」。它是由看上去像沙漏一樣的兩個錐組成，它們中間只有一個極小的交點成為「狄拉克點」。

你可以認為它是一個不同尋常的雞尾酒杯，形狀像一個沙漏，酒杯裡面的酒就像石墨烯的電子。

在接近於絕對零度（-273 攝氏度）的溫度下，電子擠進最低的能量狀態，自下而上填充兩個錐形的酒杯，直到達到一個特定能級：「費米能級」而停止。

向硅和石墨層施加一個負電壓，相當於飲用杯中的酒；而施加正電壓，則相當於向杯子中間添酒。

通過調節電壓，科學家可根據費米能級，推斷出石墨烯電子結構。

(圖片修改來源於：Freepiks)

尤其是，科學家注意到：當向石墨施加電壓到350毫伏左右是，測量到的導電性能會下降，費米能級和狄拉克點相匹配，這是單層石墨烯的一個著名特性。

(左)測量石墨烯電子特性的納米設備結構。

(右) 單層石墨烯位於不同電壓下的導電性能，在350毫伏左右出現跌落。

（圖片來源於：IBS）

最後，如果當向單層石墨烯施加磁場的時候，電氣屬性再一次發生變化。

這樣一來，電子的能量不再像沙漏狀的雞尾酒杯，而更像一個梯子，更高能量的電子位於更高的梯級上。梯子上不同梯級之間的空隙里完全沒有電子，而這些電子自下而上充滿梯子。

有趣地是，KRISS 科學家獲取，並成功地被IBS的理論物理學家重現了超過40個梯級的數據，技術上稱為「朗道能級」。由於背景噪音很低，所以每個能級可以清楚地區分。

單層石墨烯處於（a-c）和不處於（b-d）垂直磁場（1特斯拉）中。由IBS科學家得到的理論模型（c-d）完美匹配實驗數據（a-b）。

（圖片來源於：IBS）

除了單層石墨烯，科學家還發現了雙層石墨烯導電性能相關的理論和實驗數據相匹配。雙層石墨烯的導電行為更不一樣，會有更廣闊的下降，稱為「能隙」。當電場垂直於它的時候，能隙會使得雙層石墨烯更像現有的可調諧的半導體設備。

這項研究的合著者 MYOUNG Nojoon 認為：

「我們使用直觀模型重現實驗測量，並且我們對於為什麼單層和雙層石墨烯具有這些能量形式，進行了理論解釋。該模型為電壓和能量的光譜測量提供了測量工具，我們相信這將稱為更進一步研究石墨烯電子特性的基礎。」

參考資料

【1】Suyong Jung, Nojoon Myoung, Jaesung Park, Tae Young Jeong, Hakseong Kim, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Dong Han Ha, Chanyong Hwang, Hee Chul Park.Direct Probing of the Electronic Structures of Single-Layer and Bilayer Graphene with a Hexagonal Boron Nitride Tunneling Barrier. Nano Letters, 2017; 17 (1): 206 DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03821

【2】https://www.ibs.re.kr/cop/bbs/BBSMSTR_000000000738/selectBoardArticle.do?nttId=14235