激光技術將為下一代電子產(chǎn)品打開使用堅硬材料的大門！此前就研究人員發(fā)現(xiàn)了一種超薄材料，其強度至少是鋼的100倍，是最著名的熱和電導體。這意味著石墨烯這種材料可以帶來比硅更快的電子器件。但要想真正發(fā)揮作用，石墨烯需要攜帶一種能夠開關的電流，就像計算機芯片上數(shù)十億晶體管的硅一樣。這種切換創(chuàng)建了由0和1組成的字符串，計算機用于處理信息。
普渡大學(Purdue University)研究人員與密歇根大學(University of Michigan)和華中科技大學(Huazhong University of Science and Technology)合作，展示了激光技術如何能永久性地對石墨烯施加壓力，使其形成允許電流流動的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)就是所謂的“帶隙”，電子需要跨越這個間隙才能成為傳導電子，這使得它們能夠攜帶電流，但石墨烯本身并沒有帶隙。普渡大學研究人員創(chuàng)造并擴大了石墨烯的帶隙，使其達到創(chuàng)紀錄的2.1電子伏特。
要像硅這樣的半導體那樣發(fā)揮作用，帶隙至少需要達到之前記錄的0.5電子伏特。普渡大學工業(yè)工程學教授Gary Cheng說：這是第一次在不影響石墨烯本身的情況下，比如通過化學摻雜，實現(xiàn)如此高的能帶隙。帶隙的存在使半導體材料在絕緣或?qū)щ娭g切換，這取決于電子是否被推過帶隙。超過0.5電子伏特的石墨烯在下一代電子設備中具有更大的潛力，其研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在發(fā)表在《先進材料》上。
（博科園-圖示）石墨烯，一種超級堅硬的神奇材料，還沒有被制成電子產(chǎn)品，因為它本身不導電。研究人員利用激光技術將石墨烯永久地壓入允許電流流動的結(jié)構(gòu)中。圖片：Purdue University/Gary Cheng
過去的研究人員只是簡單地拉伸石墨烯來打開帶隙，但僅僅拉伸并不能很大程度上擴大帶隙。需要永久性地改變石墨烯的形狀，以保持帶隙的開放。現(xiàn)在研究人員不僅使石墨烯的帶隙保持開放，而且使帶隙寬度從0調(diào)整到2.1電子伏特，使科學家和制造商可以根據(jù)材料的用途選擇只使用石墨烯的某些特性。研究人員使用一種名為激光沖擊印記的技術，使石墨烯中的帶隙結(jié)構(gòu)永久存在。Cheng和哈佛大學、馬德里高級研究所和加州大學圣地亞哥分校的科學家們共同開發(fā)了這種技術。
在這項研究中，研究人員使用激光制造了穿透石墨烯底層的沖擊波脈沖。激光沖擊將石墨烯拉伸到溝槽狀的模具上，并永久成形。調(diào)節(jié)激光功率，調(diào)節(jié)帶隙。盡管石墨烯還遠遠沒有應用到半導體器件中，但這項技術在利用材料的光學、磁性和熱學特性方面提供了更大的靈活性。高分辨率成像和拉曼光譜揭示了應變對石墨烯原子和電子結(jié)構(gòu)的影響，第一原理模擬預測了測量到的帶隙開口。將半金屬石墨烯激光激波調(diào)制成帶隙可控的半導體材料，具有造福電子和光電子產(chǎn)業(yè)的潛力。
博科園｜研究/來自：普渡大學
參考期刊《Advanced Materials》
DOI: 10.1002/adma.201900597
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