美国科学院院报：北京高压科学研究中心科学家打开石墨烯带隙

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石墨烯的发现获得了2010年诺贝尔物理奖, 从此厚载众望, 盼将取代硅基半导体, 引发新一轮科技革命。然而，科学家们经过多年的努力，才将石墨烯的零带隙打开至0.3 eV，远远低于应用要求。北京高压科学研究中心陈斌团队通过高压调控技术, 最近成功地将石墨烯的带隙打开至2.5 eV, 并且维持至很低压力条件下。该发现可能重燃石墨烯科技革命。相关研究发表于最新的《美国科学院院报》。

图片来自极客公园

石墨烯以其优异的力学，电学和光学特性在柔性材料、新能源、晶体管等领域具有重要的应用前景，被认为是未来科技革命的重要材料。石墨烯具有极高的载流子迁移率，可以极大地提高电脑的运行速率和降低能耗，因此被看作是电子器件材料硅的潜在竞争者。然而，遗憾的是石墨烯是零带隙的半金属材料，石墨烯场效应管的开/关比较低，其微电子应用前景并不乐观, 2010年诺贝尔奖评审委员会“石墨烯晶体管将比硅晶体管运行得更快，让我们的电脑更高效” 的愿景依然如水中月一样无法触及。

因此打开石墨烯的带隙成了将其制备成高性能电子器件的首要挑战。科学家们运用各种化学、物理方法，包括量子点、纳米带、纳米筛等量子限域法，化学掺杂法，外加电场调节法等试图打开石墨烯的带隙，但是带隙很小，只有几百毫电子伏，与实际应用还有很大的差距。

北京高压科学中心的科学家与其合作者运用压力调控层间相互作用，成功将三层石墨烯的带隙打开至 2.5±0.3 eV. 首先，他们通过实验技术探索与创新，运用光刻技术制备薄膜电极保证样品与电极间的良好接触，结合手工布线和传压介质技术保证电极在极端高压环境下的稳定性，首次实现了超薄样品超高压原位电输运测量。电学测量是判断材料金属-绝缘体转变以及带隙打开的直接证据。“使用光刻技术制备薄膜电极是我们高压下的薄膜材料电学测量的关键，”该工作的通讯作者陈斌研究员说到。

他们的研究结果表明在极端压力环境下三层石墨烯从半金属态转变为半导体状态。光吸收实验数据表明三层石墨烯被调控至2.5±0.3 eV，并且带隙一旦被打开，可以保存至很低的压力。“带隙打开的主要原因是压力诱导的sp²-sp³结构转变，”该工作的主要完成者柯峰博士解释道。

他们的研究结果为打开石墨烯的带隙提供了新的方法，也消除了人们对于石墨烯没有带隙而无法制备高性能场效应管的疑虑，为制备高性能石墨烯场效应管提供了重要指导依据。

图解：左上: 高压下三层石墨烯与电极的显微镜图，左下：样品和电极接触区域的放大图；右：三层石墨烯的电阻随压力的变化曲线。

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