研究石墨烯等二维材料的电子特性：科学家有新招！
导读
石墨烯，是一种具有优异导电、导热、强度特性的新材料。为了进一步研究其电子特性，韩国复杂系统理论物理中心（PCS）和韩国标准科学研究院（KRISS）的科研人员，通过一种新光谱学平台，使用模型对于石墨烯的电子结构进行解释。这项研究发表于《纳米快报》（Nano Letters）杂志，它有利于促进未来对于二维材料电子结构进行稳定且准确的量子测量。
二维材料
最近，学术界和工业界对于二维材料的兴趣都呈指数级上升。这些材料由极薄的片组成，相对于传统的三维材料来说，它的物理特性不同。
进一步说，当不同的二维材料彼此堆叠在一起的时候，会呈现出新的电气、光学、热学特性。
石墨烯
这些二维材料其中最有前途、研究最多的即是石墨烯。
石墨烯，是一种性能极佳的新材料。它由碳原子构成蜂窝状结构，只有一层原子的厚度。由于它具有不同寻常的结构，所以在强度、导电、导热性能方面都十分优秀，有“新材料之王”的美誉，对于整个产业的影响可能是颠覆性的。
石墨烯电子特性研究
为了研究单层和双层石墨烯的电子特性，研究团队设计了一个特殊的纳米设备。
它是一种三明治状的结构，由一层石墨烯夹在两层绝缘的“六边形氮化硼” (hBN)中间构成。设备的顶部使用石墨作为电极，石墨基本上是由成百上千层的石墨烯组成。而设备的底部，则由一层硅和一层二氧化硅组成。
通过调整施加于石墨和硅的电压，科学家测量了石墨烯导电性能的变化，这种变化反应出石墨烯的电子特性。
石墨烯电子具有一种特殊的能量结构，称为“狄拉克锥”。它是由看上去像沙漏一样的两个锥组成，它们中间只有一个极小的交点成为“狄拉克点”。
你可以认为它是一个不同寻常的鸡尾酒杯，形状像一个沙漏，酒杯里面的酒就像石墨烯的电子。
在接近于绝对零度（-273 摄氏度）的温度下，电子挤进最低的能量状态，自下而上填充两个锥形的酒杯，直到达到一个特定能级：“费米能级”而停止。
向硅和石墨层施加一个负电压，相当于饮用杯中的酒；而施加正电压，则相当于向杯子中间添酒。
通过调节电压，科学家可根据费米能级，推断出石墨烯电子结构。
(图片修改来源于：Freepiks)
尤其是，科学家注意到：当向石墨施加电压到350毫伏左右是，测量到的导电性能会下降，费米能级和狄拉克点相匹配，这是单层石墨烯的一个著名特性。
(左)测量石墨烯电子特性的纳米设备结构。
(右) 单层石墨烯位于不同电压下的导电性能，在350毫伏左右出现跌落。
（图片来源于：IBS）
最后，如果当向单层石墨烯施加磁场的时候，电气属性再一次发生变化。
这样一来，电子的能量不再像沙漏状的鸡尾酒杯，而更像一个梯子，更高能量的电子位于更高的梯级上。梯子上不同梯级之间的空隙里完全没有电子，而这些电子自下而上充满梯子。
有趣地是，KRISS 科学家获取，并成功地被IBS的理论物理学家重现了超过40个梯级的数据，技术上称为“朗道能级”。由于背景噪音很低，所以每个能级可以清楚地区分。
单层石墨烯处于（a-c）和不处于（b-d）垂直磁场（1特斯拉）中。由IBS科学家得到的理论模型（c-d）完美匹配实验数据（a-b）。
（图片来源于：IBS）
除了单层石墨烯，科学家还发现了双层石墨烯导电性能相关的理论和实验数据相匹配。双层石墨烯的导电行为更不一样，会有更广阔的下降，称为“能隙”。当电场垂直于它的时候，能隙会使得双层石墨烯更像现有的可调谐的半导体设备。
这项研究的合著者 MYOUNG Nojoon 认为：
“我们使用直观模型重现实验测量，并且我们对于为什么单层和双层石墨烯具有这些能量形式，进行了理论解释。该模型为电压和能量的光谱测量提供了测量工具，我们相信这将称为更进一步研究石墨烯电子特性的基础。”
参考资料
【1】Suyong Jung, Nojoon Myoung, Jaesung Park, Tae Young Jeong, Hakseong Kim,
Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Dong Han Ha, Chanyong Hwang, Hee
Chul Park. Direct Probing of the Electronic Structures of
Single-Layer and Bilayer Graphene with a Hexagonal Boron Nitride
Tunneling Barrier. Nano Letters, 2017; 17 (1): 206 DOI:
【2】https://www.ibs.re.kr/cop/bbs/BBSMSTR_000000000738/selectBoardArticle.do?nttId=14235
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