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石墨烯让光电子可调有望产生太赫兹到红外的光

http://cn.newmaker.com 8/5/2009 9:16:00 AM 佳工机电网

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因为基于硅和砷化镓半导体，标准晶体管和发光二极管（ LEDs ）有稳定的电子和光学特性。但加州大学伯克利分校的研究表明，石墨烯可以用来制造可调节光子和电子的设备，这是由于它的电子结构可以受电场的控制。据物理助教Feng Wang所言，这种特性在双分子层的石墨烯中得以预测，这首次证明，双分子层石墨烯显示有电场的可诱导性和广泛可调的能带隙。

Wang教授说：“在材料科学方面，它的真正的突破是，第一次可以运用电场来关闭和打开能带隙。除了双层石墨烯，没有任何其他材料可以做到这一点。”他说：“通过调整双分子层石墨烯的能带隙可以把它从金属转变到半导体，因此双分子层石墨烯的一个平方毫米的单片内可能持有数以百万计的不同的可调电子装置，并且这些装置可随意改装。”

Wang教授、博士后研究员Yuanbo Zhang、研究生Tsung-Ta Tang及加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室（ LBNL ）的同事们，于6月11日在《自然学报》上发表了他们的成果。

“金属和半导体的根本区别就在于能带隙，那可使我们搭建半导体器件，”加州大学伯克利分校的物理学教授coauthor Michael Crommie说，“仅仅在两个电极之间加入材料，应用电场和改变能带隙的这种性能，在凝聚态物理中，就是一个巨大的突破和一项重大的技术进步，因为这意味着在设备配置方面，我们可以通过发送电信号到这种材料上而改变飞行中的能带隙。”

可使石墨烯成为良导体（能带隙为零）的这种特性，也意味着它将总是处于打开状态。“做任何电子设备，如晶体管，你必须能够打开或关闭它，”Zhang研究员说到，“然而在石墨烯中，尽管有高的电子迁移率，及可调节的电导率，但为了确保晶体管的有效性你并不能关掉它。”

单层石墨烯具有零隙，而当两层石墨烯在一起时，理论上就会有一个电场控制的可变能带隙，Wang教授说到。但是，基于双层石墨烯之前的实验都没有表现出预期的能带隙结构，这可能是因为杂质所导致的。Wang、Zhang、Tang和他们的同事决定创建有两个电压栅的双分子层石墨来取代只有一个电压栅的。当在双分子层薄片的边缘上，将栅电极连接到双分子层的顶部、底部及电气连接处（源与传输管道的连接处）时，研究人员仅仅通过改变门控电压就能够打开和调整能带隙。

该小组还发现，可以改变石墨烯的另一个关键性能，即它的费米能量，也就是占电子能级中的最大能量，而电子能级可控制材料中电子的密度。

“通过双分子层石墨烯顶部和底部的栅，可以独立控制半导体中的两个最重要的参数：你可以通过改变电子结构来连续的改变能带隙，以及通过改变费米能级而独立地控制电子掺杂量。”Wang教授说到。

由于目前设备中存在有电荷的杂质和缺陷，石墨烯的电子特性并不反映它的固有属性。相反，研究人员利用能带隙材料的光学性质：如果你正好将适当色彩的光照射在材料中，价电子吸收光而跃过能带隙。

就石墨烯而言，研究人员可产生出的最大能带隙是250 MeV（相较而言，半导体锗和硅分别有大约740和1200 MeV的能带隙）。把双分子层石墨烯置于由LBNL的先进光源（ALS）所产生的高强度红外光束中，在预测的能带隙能量上，研究人员看到了吸收带，从而确认其可调。

由于在0到250 MeV的能带隙范围内可将石墨从金属到半导体进行连续的调整，研究人员设想把双分子层石墨的一个单片转变成一个动态的综合性的电子装置，在该电子装置的顶部和底部有数以百万计的栅。

“你需要的仅仅是在所有的方位上有一堆的栅，可以改变任何位置而成为金属或半导体，也就是说，成为传导电子或是晶体管，”Zhang说。 “所以，基本上起初就不需要你建立任何电路，只要通过应用栅电压，你就可以实现你想要的任何电路。这使你有极大的灵活性。”

Wang说，“这将是未来的梦想：根据光刻技术的应用，每个栅的尺寸可远小于1微米，从而可在双层石墨烯的1平方毫米的片上装有数以百万计的不同的电子设备。”

Wang和Zhang也预见到光学的应用，因为0到250 MeV的能带隙意味着石墨烯发光二极管能发出任何远至中红外范围的频率。最终，它甚至可以用于激光材料，产生从太赫兹到红外的频率。

“没有一个可调的光源，找到可在红外内产生光的材料将是很困难的。”Wang说。

Crommie指出，固态物理学家也将获得空前的机会去研究双层石墨烯的独特性能。一方面，单层石墨烯中的电子似乎表现为没有聚集，而是像光子一样的运动。而在可调的双分子层石墨烯中，电子突然表现得就像它们聚集在一起，并随着能带隙而变化。

Crommie说到：“这不仅是一项技术的进步，同时也开启了通向一些真正新颖的和潜在有趣的物理学的大门。”

更多信息请浏览Nature相关文章, Direct observation of a widely tunable bandgap in bilayer graphene 。

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