研究人員已經證明，雙層石墨烯既可以作為超導體，也可以作為絕緣體，這一特性可能會徹底改變半導體技術。這種雙重功能使得開發高能效的納米級半導體成為可能。哥廷根大學上司的一個國際研究小組通過實驗證明，自然形成的雙層石墨烯中的電子像沒有品質的粒子一樣運動，與光的運動方式相同。
藝術家繪制的天然雙層石墨烯中的移動電荷。資料來源：Lukas Kroll
此外，他們還證明，電流可以"開關"，這為開發微小、節能的半導體提供了可能--就像家裡的電燈開關，但卻是納米級的。美國麻省理工學院（MIT）和日本國立材料科學研究所（NIMS）也參與了這項研究。研究成果發表在科學雜志《自然通訊》上。
安娜-塞勒博士。圖檔來源：Christian Eckel
石墨烯的特性與挑戰
石墨烯于 2004 年被發現，是由單層碳原子組成的。石墨烯具有許多不尋常的特性，其中最著名的是其超高的導電性，這是因為電子在這種材料中以高速、恒定的速度穿行。這一獨特的特性讓科學家們夢想着利用石墨烯制造速度更快、能效更高的半導體。
所面臨的挑戰是，要制造出半導體，需要控制材料在高導電狀态之外還具有高絕緣狀态。然而，在石墨烯中，載流子速度的這種"切換"并不容易實作。事實上，石墨烯通常沒有絕緣狀态，這限制了石墨烯作為半導體的潛力。
石墨烯半導體研究取得突破性進展
哥廷根大學的研究小組現在發現，自然形成的雙層石墨烯中的兩層石墨烯結合了兩方面的優點：除了絕緣狀态外，這種結構還能支援電子像光一樣以驚人的速度運動，就像它們沒有品質一樣。
研究人員發現，通過施加垂直于材料的電場，可以改變這種狀況，使雙層石墨烯成為絕緣體。
托馬斯-韋茨教授。資料來源：T Weitz
快速移動電子的這一特性早在 2009 年就已在理論上得到預測，但由于 NIMS 提供的材料以及與麻省理工學院在理論方面的密切合作，樣品品質顯著提高，才有可能在實驗中發現這一特性。雖然這些實驗是在低溫條件下進行的--低于冰點約 273°--但它們顯示了雙層石墨烯制造高效半導體的潛力。
"我們早就知道這個理論。但是，現在我們已經進行了實驗，實際顯示了電子在雙層石墨烯中類似光的分散。對于整個團隊來說，這是一個非常激動人心的時刻，"哥廷根大學實體系的托馬斯-韋茨教授說。
哥廷根大學博士後研究員、第一作者 Anna Seiler 博士補充說："我們的工作隻是邁出了關鍵的第一步。研究人員下一步将研究雙層石墨烯是否真的能改善半導體，或者研究這種效應在其他技術領域的潛力。"
編譯來源：ScitechDaily