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激光技术可解锁石墨烯在下一代电子设备中的潜力

2004年,研究人员发现了一种超薄材料,其强度至少比钢强100倍,同时还是最出名的热电导体。这意味着这种材料,即石墨烯材料可以实现比硅更快的电子产品

但要真正有用,石墨烯需要携带开关电流,就像硅在计算机芯片上以数十亿晶体管的形式所实现的那样。这种开关模式,也能创建出计算机用于处理信息的字符串0和1。

随后,来自普渡大学、密歇根大学和华中科技大学研究人员进行了合作,展示了激光技术如何能够永久地将石墨烯强化为具有实现电流流动的结构。这种结构就是所谓的“带隙”。电子需要穿过这个带隙才能成为传导电子,从而能够承载电流。

但石墨烯并不具备所谓的带隙。普渡大学的研究人员创造并扩大了石墨烯的带隙,达到创纪录的2.1电子伏特。为了起到诸如硅之类的半导体的作用,带隙至少要达到先前实现的0.5电子伏特的记录。

“这是我们第一次实现了如此高的带隙,而没有如通过化学掺杂等方法对石墨烯本身造成的影响。”普渡大学工业工程教授Gary Cheng表示。带隙的存在允许半导体材料在绝缘或传导电流之间切换,这取决于它们的电子是否通过了带隙。

研究人员表示,实现0.5电子伏特可激发石墨烯在下一代电子设备中的更多潜力。

Cheng教授表示:“此前的研究人员只是通过简单地拉伸石墨烯而打开了带隙,但是简单的拉伸并不能使带隙变宽,我们需要的是永久性地改变石墨烯的形状以保持带隙的存在。”Cheng和他的合作团队不仅保持了石墨烯中的带隙,而且还可以将带隙宽度从零调整到2.1电子伏特,使科学家和制造商可以根据他们的需要选择使用石墨烯的某些特性。

研究人员利用激光冲击印刻技术(laser shock imprinting)在石墨烯中使带隙结构永久化,该技术是Cheng于2014年与哈佛大学、马德里高等研究院以及加州大学圣地亚哥分校的科学家一起开发出来的。

在这项研究中,研究人员使用激光器产生冲击波脉冲,穿透下面的石墨烯片;激光冲击随后将石墨烯应变到沟槽状模具上,随后使其永久成型。调节激光功率就可调节带隙。

Cheng指出,虽然该技术离实现将石墨烯融入半导体器件中还很远,但该技术在利用材料的光学、磁性和热性能方面具有更大的灵活性。

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