科学家们正在研究由多层石墨烯构成的结构在基本物理特性及其作为可重构半导体用于先进电子设备方面的潜力。
德克萨斯大学达拉斯分校的科学家们正在研究由多层石墨烯构成的结构在基本物理特性及其作为可重构半导体用于先进电子设备方面的潜力。
石墨烯是一层单独的碳原子，排列成平坦的蜂窝状图案，每个六边形的顶点由六个碳原子形成。自2004年首次分离石墨烯以来——这使得获得诺贝尔物理学奖——科学家和工程师们对其独特的物理性质及潜在应用进行了深入研究。
德克萨斯大学达拉斯分校自然科学与数学学院的物理学教授张凡博士是一位理论学家，十多年来一直研究当石墨烯层以手性方式堆叠形成菱方结构时所产生的电子特性。
徐天怡是一名物理学博士生，曾与张教授合作研究该材料。“石墨中存在两种堆叠顺序，石墨是铅笔芯中的一种晶体。”徐说。“一根典型的铅笔芯大约由1000万层石墨烯组成。”
六角堆叠，也被称为AB堆叠，发生在偶数层石墨烯与奇数层石墨烯的相对旋转60度的对齐。而菱方堆叠，或ABC堆叠，则表现为每个连续层的单向或手性60度旋转。
“六角堆叠的结构稳定性更高，但菱方堆叠更为显著，因为堆叠中的手性可以使电子强相关，从而展现出非凡的宏观量子现象，”张说。
在最近发表在《科学》（Science）、《自然物理学》（Nature Physics）以及其他期刊的文章中，张的研究小组与德国哥廷根大学和麻省理工学院的实验合作伙伴报告了一些关于菱方石墨烯的新发现。
研究人员发现，这类材料表现为半导体，其带隙和电子密度可以通过栅电场连续调节。他们还发现，在极低温度下，菱方石墨烯展现出新奇的磁性和超导性，以及量子反常霍尔效应，具体取决于施加在器件上的栅电场。
“你通常不会在同一种材料中观察到所有这些效应，但它们可以在同一菱方石墨烯设备中发生，我们可以在单一设备中切换甚至调节半导体、磁性和超导性特性，”张的小组中的物理学博士生普拉维恩·派说。“量子反常霍尔效应引起了极大的兴趣，更不用说磁性与超导性的共存。”
与张合作的另一名德克萨斯大学达拉斯分校的物理学博士生尼南德·东格雷表示，要改变常规半导体的电子密度或带隙，研究人员必须调整化学成分并制造新的样本。
“这个过程既耗时又挑战重重，”东格雷说。“使用菱方石墨烯，我们可以通过电栅改变单一样本。”
张将在2024年3月16日的美国物理学会（APS）全球物理峰会期间，与其他科学家和学生分享他在菱方石墨烯物理学方面的专长和最新进展。他的研究生也将在为期六天的年会上展示研究，预计将吸引来自世界各地超过14,000名物理学家和6,400名学生。
菱方石墨烯研究的挑战之一是，实验室中很难制造出孤立的样本，张的小组的研究科学家杨致晧博士在APS会议上发言时表示。一个石墨烯少层样本通常由六角形石墨烯和菱方石墨烯的组合构成。
“样本的一侧可能表现为ABC堆叠，而另一侧则是AB堆叠，中间存在一个缺陷，”杨说。“识别线缺陷并孤立ABC区域至关重要；否则，在器件制造过程中，AB区域将占据ABC区域。这个过程异常具有挑战性，我们很幸运能够与拥有尖端纳米技术的实验者合作。”
在2024年10月，德国亚历山大·冯·洪堡基金会授予张博士洪堡研究奖，以表彰其在所在领域及更广泛领域中作出重要影响的基础发现、新理论或见解，预计他还将继续做出突破性的贡献。
“我非常幸运。我们不仅见证了我们的预测得到了证实，而且我们15年前发起的话题已经演变成一个迅速扩展的领域，”张说。“让我最自豪的是我的学生、博士后和实验合作伙伴——在一起，我们正在书写科学发现的新篇章。”
张的研究主要由国家科学基金会资助，包括教职工早期职业发展计划（CAREER）奖、设计材料以革命和工程我们的未来（DMREF）奖和一项最近专注于二维半导体的资助。
