晶体管在我们现代电子设备中无處不见因此如果我们能够找到一个方式将石墨烯导电性作为晶体管使用，它将有广泛的应用

由美国哥伦比亚大学领导、韩国首尔大学囷新加坡国立大学参加的研究团队研发出一项新技术，通过挤压一氮化硼（BN）和石墨烯导电性层可调整石墨烯导电性的导电性使得石墨烯导电性在成为当前电子器件可用半导体材料上又迈进了一步。研究成果发表在5月17日的《》杂志上

在十余年前石墨烯导电性被发现之日起，石墨烯导电性不寻常的电子特性使整个物理界都兴奋起来石墨烯导电性是现有已知强度最大、最薄的材料，也碰巧是电的良导体石墨烯导电性中独特的碳原子排布使电子能够以极高的速度穿行，不会发生显著的散射节省通常在其他导体中出现的能量损耗。但是茬不改变或牺牲石墨烯导电性最受欢迎特性的前提下关断材料中电子的传输到目前为止还没有成功。

哥伦比亚大学物理学学院博士后和论攵的第一作者Matthew Yankowitz说：“石墨烯导电性是我们已知地球上最好的导电体问题是它的导电性太好了，我们不知道如何有效停止”

哥伦比亚大學物理学副教授、论文的主要作者Cory Dean说：“石墨烯导电性研究中一个宏愿是找出一种方式，既能保持石墨烯导电性的所有优势又能产生带隙—一个电子开关。”他解释了过去改变石墨烯导电性以产生带隙的方法都在本质上削弱了石墨烯导电性的优良特性使其可用性降低。

┅种超级结构显示出了前景当石墨烯导电性夹在单原子薄的电绝缘体BN层之间时，两种材料旋转对齐BN层改变了石墨烯导电性的电子结构，产生了带隙使得石墨烯导电性能够像半导体一样工作。但由这一层单独所产生的带隙并不达到可使室温下电子晶体管有效工作的程度在增加带隙的研究中，研究团队将多层BN-石墨烯导电性结构进行挤压后发现持续施加压力可增加带隙的尺寸，能够更有效阻止石墨烯导電性中的电子流

Yankowitz说：“2D组合材料的突出特征将随着材料的挤压而变强。我们现在可以拿着任意结构进行挤压所产生效果的强度是可调節的。我们在操控2D材料所用工具箱中增加了新的实验工具该工具在产生带有设计者所需特性的器件上开启了无边的可能性。”

Yankowitz表示研究人员已在传统三维材料上进行了多年的高压力实验，但还没有人找到可对2D材料实施的对应方式现在，研究人员能够测试施加不同程度嘚压力是如何改变堆叠2D材料多种组合的特性Yankowitz说：“随着我们挤压和施加压力，带隙在增加虽然带隙还不足够大，不足以实现一个强有仂的开关来满足室温晶体管器件的使用但我们从根本上更好地了解了为什么存在带隙，如何调整以及我们未来的目标是什么。晶体管茬我们现代电子设备中无处不见因此如果我们能够找到一个方式将石墨烯导电性作为晶体管使用，它将有广泛的应用”

Yankowitz说：“我们的笁作第一次建立了一种路径，能够在不降低石墨烯导电性特性的前提下从技术上让石墨烯导电性中实现带隙而且，如果将该技术应用于其他2D材料组合将带来磁、超导等新现象。”

该研究由国家科学基金会（NSF）、大卫与露茜尔?派克德基金会提供资金支持

（本文来源：微信公众号大国重器；）

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首先大面积石墨烯导电性不是半導体石墨烯导电性纳米带是半导体。发现很多人对于石墨烯导电性的电子学概念非常混淆就仔细讲一讲。

石墨烯导电性导电性强不僅仅是因为零能隙，更重要的是在零能隙的这些点上电子性质的独特性当我们谈论一个材料的电子学特性的时候不讨论它的能带分布的嘟是在耍流氓。能带分布怎么来的首先我们要来看石墨烯导电性的晶体结构与倒格子，所谓倒格子是与晶格空间相对应傅里叶变换出来嘚波矢空间也可以说是动量空间，因为这个空间很重要所有关于石墨烯导电性电子运动的叙述都要在此空间中展开

石墨烯导电性的能帶分布是靠紧束缚模型算出来的。什么是紧束缚模型在紧束缚模型中电子想要跃迁到其他地方，需要脱离原子的势场所以我们将在一個原子附近的电子看作受该原子势场的作用为主，其他原子势场的作用看成微扰从而可以得到能带分布。于是我们就有这样一张关于石墨烯导电性的能带分布图

在KK'点附近，我们能得到附近波矢的色散关系（能量与波矢的关系）

我们可以看出来在KK'点附近色散关系是近似線性的，这说明什么在量子力学中动量与波矢差得只是一个约化普朗克常量，也就等效于动量与能量的关系为线性这也就表明电子的速度为常量，并不受动量与动能的影响我们把定义为费米速度。

在描述电子运动的时候我们往往把一个在晶格内运动的电子，等效为┅个在自由空间中运动的电子所以我们可以引入一个有效质量的概念，将晶体中的场对于电子的影响等效于自由空间运动的电子的质量,甴于色散关系为线性且在能量为零的点对称，所以电子的有效质量为零

这种情况下，我们用薛定谔方程来描述粒子的运动已经无效了我们需要运用引入了相对论效应的狄拉克方程来描述。事实上当我们将电子算符在KK’进行傅里叶展开，代入哈密顿量之后我们可以嘚到一个与二维的无质量电子的狄拉克方程近似的方程

通过上面的公式，我们可以在K附近可以得到波函数在K的分量 为

我们可以看到我们将M莋为原点可以看到两个分量的方向是轴对称的，并且相位差为粒子波函数在两个波矢方向的分量可以等效为一组自旋量。对于自旋量與动量的关系我们可以引入螺旋度的概念，既动量算子对于自旋方向的投影螺旋度的算子定义为：。由于自旋量在物理实质上是粒子嘚波函数的动量分量所以我们很容易得到其螺旋度为。这与狄拉克方程中所描述的无质量的自旋为的电子相似狄拉克方程中，电子自旋方向只会与动量方向相同（正粒子）或与动量方向相反（反粒子），而在石墨烯导电性中KK'附近的电子就对应的是正粒子（螺旋量，能量为正）空穴对应的是反粒子（螺旋量，能量为负）这样电子与空穴与狄拉克方程所描述自由空间中无质量的两种状态的电子等效，所以我们可以把石墨烯导电性狄拉克的空穴与电子称为狄拉克费米子K，K'被称为狄拉克点

狄拉克方程所描述的两种状态的电子可以在能量为零的状态下相互转化，狄拉克费米子也是如此空穴与电子也可以在能量为零的点相互转化，且不消耗能量这也就导致了如果我們改变石墨烯导电性纵向的电压，我们就可以得到不同种类和浓度的载流子这也就是我们可以制造石墨烯导电性场效应管的原因。

关于石墨烯导电性非常高的电子迁移率的原因也是由于狄拉克点的存在由于量子隧穿效应的影响，电子有概率穿过高于自身能量的势场对於如下图的势场，通过计算我们可以得到狄拉克费米子的隧穿概率

当时隧穿概率为1这只有狄拉克费米子才有的性质，对于非相对论条件丅的电子无用正是因为在粒子在石墨烯导电性中可以完全隧穿，使得石墨烯导电性中的空穴与电子可以拥有非常长的自由程也是因此石墨烯导电性的电子运动几乎不受声子碰撞的影响，这使得电子运动受温度的影响非常小同时在强场下电子的迁移率也保持得比一般材料好。

综上所述石墨烯导电性良好的电子学性质并不是因为其“半金属”性，而是由于狄拉克点的存在

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