研究:扭轉堆疊石墨烯展現獨特電子特性

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【大紀元2021年09月13日訊】(大紀元記者高文森編譯報導)賓夕法尼亞大學(University of Pennsylvania)和布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)合作研究發現,在呈錯開狀態堆疊的雙層石墨烯材料內流動的電子出現獨特的行為。研究人員表示,這項發現對量子電腦芯片和通訊技術的發展有重要意義。

研究者之一布魯克海文國家實驗室的戴中偉(Zhongwei Dai,音譯)說:「對於電子在半導體內如何流動的認知,是建造當今電腦芯片的基礎。但是,受到晶體管最小體積的限制,能放在一個芯片上的晶體管數量已經達到極限,因此硅芯片的物理特性已經被挖掘到極限。如果我們能瞭解電子在只有幾納米那樣更小的尺度範圍內如何移動的特性,我們就有可能打開一個新的領域用電子探索量子信息世界。」

賓夕法尼亞大學的新聞稿介紹說,當材料在只有幾納米的尺度下,裡面的電子被限制在和它們自身波長差不多尺寸的空間之內,這導致材料整體的光電特性出現一系列特殊的變化,也叫量子侷限效應(Quantum Confinement Effect)。這份研究探索了石墨烯材料裡面電子和光子在這樣微觀尺度內所展現的特性。

研究人員設計了三種石墨烯結構:單層、伯納爾堆疊雙層(Bernal stacked)和扭轉雙層。伯納爾堆疊又分為AB型和AA型。前者半數上層的原子疊在下層石墨烯片內六角形結構的中心,半數原子直接疊在下層原子之上;後者則是兩層石墨烯片完全對齊地疊在一起。扭轉堆疊是一層石墨烯相對另一層錯開一定角度堆疊。

利用魯克海文國家實驗室的設備,研究人員觀察到,在兩種雙層結構內都看到了電子和光子在兩層之間共振的現象,而且電子在兩層之間流動的速度與共振頻率相等。

研究人員還發現,當把兩層石墨烯錯開一定角度地堆疊,將明顯地增大石墨烯兩層之間的空隙,從而影響兩層材料之間的互動,繼而影響電子在其間流動的特性。這份研究發現當一層相對另一層錯開30度的情況下,電子共振的能量降低。

合作研究員薩多夫斯基(Jurek Sadowski)說:「由於兩層之間可供電子移動的間隙增大,利用扭轉石墨烯製造的設備可能會具有令人想不到的特性。」

這份研究8月20日發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters)。◇

責任編輯:朱涵儒

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