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同是三层石墨烯结构 电学性质因何大相径庭?

人气:18 发布时间:2018-05-31
摘要:近日,日本科学家研制出两种新材料,它们都是三层石墨烯结构,但由于堆叠方式不同,却各具独特的电学性能,这项研究对于光传感器

近日,日本科学家研制出两种新材料,它们都是三层石墨烯结构,但由于堆叠方式不同,却各具独特的电学性能,这项研究对于光传感器等新型电子器件的发展具有重要意义。

自从2004年,两位科学家首次利用清洁石墨晶体的透明胶带分离出了单层碳原子,石墨烯就因其迷人的特质吸引了无数研究者蜂拥而至。它的强度是钢的200倍,不仅非常柔韧,而且是一种极为优良的电导体。

石墨烯的碳原子呈六边形排列,构成了蜂窝状晶格。在单层石墨烯上再堆叠另一单层石墨烯,就可以形成双层石墨烯结构。有两种堆叠方法:让每层石墨烯结构的碳六边形中心彼此正对在一起,就构成了AA堆叠结构;而将其中一层向前移位,使得其碳原子六边形中心位于另一层石墨烯的碳原子之上,就构成了AB堆叠。AB堆叠的双层石墨烯材料在施加外部电场时,具有半导体的性质。

刻意堆叠三层石墨烯结构是非常困难的,但是这样做却可以帮助科学家们研究三层材料的物理性质是怎样随层与层间堆叠方式的不同而变化的,并从而对新型电学仪器设备的发展具有促进作用。现在,日本东京大学和名古屋大学的研究者已成功研制出两种具有不同电学性能的三层石墨烯结构。

他们采用了两种不同的方式加热碳化硅,一种是在加压氩气环境下将碳化硅加热到1510摄氏度,另一种是在高真空环境将碳化硅加热至1300摄氏度。随后用共价键已被破坏成单个氢原子的氢气喷涂两种材料,两种不同的三层石墨烯结构就大功告成了。在加压氩气下加热的碳化硅形成了ABA堆叠结构的三层石墨烯,其顶部和底层的碳原子六边形精确对齐,中间层稍有移位。高真空环境下加热的碳化硅则形成了ABC堆叠结构的三层石墨烯,每一层碳原子六边形都比其下面一层稍稍向前移位。

 

ABA堆叠状三层石墨烯(图a)与ABC堆叠状三层石墨烯(图b)的晶体结构示意图

科学家们检测了这两种三层石墨烯结构的物理性质,发现他们电学性能差异显著。ABA型石墨烯与单层石墨烯类似,是十分优良的电导体,而ABC型石墨烯却更像AB型双层石墨烯结构,具有半导体的性质。

“ABA型和ABC型两种不同三层石墨烯结构的成功制备,将从堆叠层数和堆叠序列的角度,拓宽石墨烯基纳米电子器件的研发可行性。” 相关研究人员在NPG Asia Materials杂志上发表的论文中这样总结道。

责任编辑:环球石墨烯网