美日法三所研究机构通过扭转石墨烯，实现可调电子器件

由美国哥伦比亚大学，日本筑波国立材料科学研究所和法国国家科学研究中心（CNRS）组成的国际研究团队突破了此前在扭转石墨烯上所面临的限制，带来控制材料电子特性的新方法。研究成果发表在《科学》杂志上。

图为研究结果示意图

研究背景

对于研究石墨烯的团队而言，在石墨烯中加入带隙已几乎成为一种通行仪式。虽然许多人已经完成了这一壮举，但更多的人已经在数字逻辑应用中放弃了石墨烯，因为不得不给它一个带隙。事实证明，所有这些石墨烯的工程化都揭示了另一个特征：可调电子特性，这可通过将石墨烯与氮化硼等另一种具有非常大带隙的材料组合来实现，即所谓的异质结构，也可通过扭转石墨烯来实现。

研究进展

研究团队展示了使用石墨烯/氮化硼异质结构进行扭转的原理。他们的技术不仅可以控制石墨烯的扭转，还可动态改变器件的电学，光学和机械性能。这种新技术可改变石墨烯相对于氮化硼的扭转角度，甚至在制造后改变角度，研究人员相信此突破会带来新型电子设备。

原理说明

石墨烯与其他二维（2D）材料的这种扭转都可实现，因为它们之间的摩擦非常小。同样，晶格之间没有强烈的化学键合，因此它们容易相互滑动。哥伦比亚大学副教授，该研究的作者之一Cory Dean表示，研究人员意识到低滑动摩擦的好处之一是可通过有意设计使器件旋转。

Dean说，“在制造过程中，我们将材料结构设置为可以齿轮形状旋转，然后我们使用此前开创性的技术来机械地拾取这种纳米尺寸的齿轮（在这种情况下是氮化硼），并将其放置在有源器件区域的顶部（在这种情况下是石墨烯）。一旦放置到位，我们使用原子力显微镜推动齿轮的一个齿，使其旋转。”

当石墨烯和氮化硼像这样相互扭转时，电子特性会发生复杂变化。氮化硼和石墨烯具有相似的蜂窝状晶格结构，其晶格中仅有轻微的不匹配。当它们以零角度对准接触时，晶格中的小差异产生长波长莫尔图案或干涉图案。这种莫尔条纹图案反映了两个晶格局部从几乎相称过渡到最大不相称的长度尺度。对于穿过石墨烯层的电子，莫尔超晶格的作用类似于周期性散射电位。电子从这种莫尔超晶格中散射出来，从而改变了它们的能带结构。在零角度时，这产生带隙。当角度从零增加时，莫尔图案的长度尺度改变且影响减小，当超过约5度，穿过石墨烯的电子受氮化硼影响非常小，并恢复石墨烯的固有性质。Dean表示，根据器件工程的观点，通过简单的扭转来动态改变材料的基本电子响应的能力是传统材料难以实现的一种新型控制能力。

意义

Dean说：“通过改变扭转角来调整分层材料特性的能力为单一材料平台提供了执行各种功能的可能性，例如，电子电路由有限数量的组件构成，包括金属导体，绝缘体，半导体和磁性材料。该过程需要集成各种不同的材料，并且可能带来重大的工程挑战。相比之下，可通过在局部扭转以实现上述功能器件的单一材料会带来新的重大工程机会。”

这种可调性的一个直接例子可能来自开关领域。传统开关通常在两个明确定义的状态（开或关，磁性或非磁性等）之间变化。这个新平台可以在任意数量的互补状态之间切换。

下一步工作

到目前为止，研究人员只研究了石墨烯和氮化硼。然而还有一大类2D材料可以相互集成，这些材料具有各种固有属性（金属，绝缘，半导体，磁性，超导等）。它们如何精确耦合以及这些属性如何相互作用通常依赖于在旋转角度上。Dean补充说：“扭转这些新异构结构的能力为实现具有互补性质的材料之间相互作用的可调谐提供了巨大的新机会。”