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至石墨烯“开辟新天地“

2021年10月11日

石墨烯“开辟新天地“ 至石墨烯“开辟新天地“

1项新研究预测,研究人员可使用激光螺旋脉冲改变石墨烯的性质,把它从金属变成绝缘体,这可能赋予石墨烯用于编码的特殊性质。

研究成果发表于2015年5月11日出版的Nature Communications,使用这类特殊光线创造并控制物资的新状态实验从此成为可能,其潜伏利用有计算机和其他领域。这个进程就是点石成金,撤掉激光后金子又变回石头,Thomas Devereaux解释道。Dev单片微机丈量、运算、数显结果并可打印等ereaux教授就任于美国能源部(Department of Energy)的SLAC国家加速器实验室(National Accelerator Laboratory),同时还兼任斯坦福大学材料和能源科学研究所(Stanford Institute for Materials and Energy Sciences,SIMES)主管,这是1所SLAC和斯坦福大学的联合机构。

他说:我们的摹拟表明可以从理论上改变石墨烯的电子特性,在电子自由移动的金属状态和绝缘状态之间来回改变它的状态。从数字角度来讲,这就像在0和1之间来回转变,也就是打开和关掉,肯定和否定。这类特性可以用于计算机内存的信息编码。有趣的是你可以用光而不是电子做电子开关。

Devereaux和Michael Sentef共同本项研究。初Sentef作为博士后研究员工作于SLAC,目前任职德国的马克斯普朗克结构和动力研究所(Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter)。

奇异材料的诞生

石墨烯是1种纯碳结构,只有单原子厚度,原子以蜂巢状排列。它在12年前被科学家发现,1直被当做万能材料。它有弹性,几近透明,是导热和导电的材料,还是已知强度高的材料之1。但是科学家们试遍了各种方法也没能把它变成半导体,而半导体正是微电子所需的核心材料。

另外一项初期研究表明圆偏振光的照耀或许可以实现上述目标。圆偏振光传播时以顺时针或逆时针方向旋转,这个特性被称为右撇子或左撇子。它可以产生带隙,带隙中没有电子,这是半导体的特性之1。

在SIMES研究中,理论学家利用了能源部位于劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的国家能源研究科学计算中心(National Energy Research Scientific Computing Center)进行了大范围的摹拟演算。仿佛看不见真正以陶瓷作为机身材料的手机产品他们摹拟了用圆偏振光照耀石墨烯的实验,照耀时长为10亿分之1秒的几百万分之1。

力求真实的摹拟

之前的研究建立在分析演算和理想环境的基础上,研究生Martin Claassen说道。他是Devereaux团队的1员,为研究做出了重要贡献。我们的研究大程度地摹拟了真实实验的条件,连激光脉冲的形状都斟酌在内。这项摹拟能辨别出可行的实验,并且找出那些实验中有价值的变化产生的区域。

SLAC科学家和本研究论文的另外一位作者Brian Moritz说,摹拟表明激光的螺旋会与石墨烯的螺旋相互反应,该反应其实不均匀,带来了有趣而且意料以外的特性。它不但产生了带隙,还致使了量子态。石墨烯在这类状态下有1或0的陈数,这是贝瑞曲率(Berry curvature)产生的结果,提供了另外一种可供科学家研究的开关态。

石墨烯之外的利用

虽然本研究不能立即利用在电子装备中,但它给研究人员提供了这方面的重要理论根据。研究结果还与2硫属化物(dichalcogenides)相干,该材料也是1种2维原子片,它的原子一样按蜂窝状排列。

2硫属化物是SIMES和科研机构的重点研究对象,它是制造谷自由装备(valleytronic devices)的潜伏材料。谷自由度(valleytronics)中,电子像有两个谷值的能量波1样从2维半导体中穿过,这两个谷值的特点可被用于信息编码。它的潜伏利用有光探测器、低能耗计算机的逻辑和数据存全数字控制系统驱动、光电编码收集试样改变角度、高精度输出对称扭矩传感器储芯片、量子计算机。除石墨烯方面的研究,团队还对光和2硫属化物的反应方面的实验进行了摹拟。

Moritz说:我们的终目标是弄清楚为何材料与光的反应会改变材料的性质和属性,并且创造出技术上的新型有趣材料。