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石墨烯能堆疊出能隙

美國研究人員最近發現,多層石墨烯(graphene)的堆疊方式可控制該材料的導電性,使呈現金屬性或絕緣性。由於理論計算預測多層石墨烯不論堆疊方式為何必為金屬性,此實驗結果特別令人意外,然而它也顯示了此材料的導電性可透過改變堆疊方式加以控制,這一點在實際元件應用上將會很重要。

石墨烯為單原子厚的平面碳材料,其獨特的電子、機械與熱性質使其成為製作未來分子電子元件的理想材料。近來,研究人員紛紛將注意力轉向多層石墨烯,並預期該材料層與層之間存在的強化電子交互作用,會讓他們發現更多特殊性質。

三層石墨烯有ABA及ABC兩種不同的堆疊方式,差異在於上層石墨烯相較於下層平移了一個鍵長。在這類多層結構中,堆疊方式對結構的電子性質具有莫大的影響。根據理論計算,ABA石墨烯為半金屬性,具有可調控的能帶重疊(band overlap),而ABA石墨烯則為半導體,具有可調變的能隙。加州大學河濱分校的Jeanie Lau等人最近測量多層石墨烯的傳輸性質,卻發現一些不符預期的結果:ABA石墨烯具金屬特性,而ABC石墨烯則為絕緣體。

研究人員先將石墨烯被置於矽/二氧化矽的基板上或是懸掛在基板的溝渠之上,並利用遮罩蒸鍍上電極,然後測量元件的導電率,結果發現非懸掛式元件的場效遷移率(field effect mobility)在210到1900 cm2/Vs之間,而懸掛樣本則在5000到280,000 cm2/V。

測量結果顯示ABC石墨烯具有本質能隙,可能來自多層系統之間強化的電子交互作用。石墨烯的能隙存在與否是其應用在電子元件上的關鍵因素。 Lau指出,他們的研究顯示改變石墨烯的堆疊方式就能調整石墨烯的電性。

該團隊目前正著手研究ABC石墨烯的絕緣態,並積極了解外加電場與磁場對三層石墨烯傳輸性質的影響。詳見Nature Physics | doi:10.1038/nphys2103。

譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝

原始網站:Stacks open up bandgap ,本文來自奈米科學網

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