激光技術將為下一代電子產品打開使用堅硬材料的大門！此前就研究人員發現了一種超薄材料，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十億晶體管的硅一樣。這種切換創建了由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構。這種結構就是所謂的“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造并擴大了石墨烯的帶隙，使其達到創紀錄的2.1電子伏特。
要像硅這樣的半導體那樣發揮作用，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，實現如此高的能帶隙。帶隙的存在使半導體材料在絕緣或導電之間切換，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，其研究發現現在發表在《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構中。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調整到2.1電子伏特，使科學家和制造商可以根據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構永久存在。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。調節激光功率，調節帶隙。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構的影響，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制成帶隙可控的半導體材料，具有造福電子和光電子產業的潛力。
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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