科学家发现石墨烯的重要新特性

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麻省理工学院的研究人员和同事发现了石墨烯的一种新的重要电子性质。这项工作涉及由原子薄薄的材料层组成的结构,这些材料也具有生物相容性,可以引入新的,更快的信息处理范例。一种潜在的应用是神经形态计算,其目的是复制体内负责行为和记忆的神经元细胞。


基于石墨烯的异质结构继续产生令人着迷的惊喜。我们在这个简单而超薄的系统中对非常规铁电的观察挑战了许多有关铁电系统的普遍假设,这可能为整个新一代铁电材料铺平了道路。”塞西尔和艾达·格林教授Pablo Jarillo-Herrero说麻省理工学院物理系的负责人和工作负责人,他与来自三个部门的其他五个麻省理工学院的教师进行了合作。

在当前的工作中,麻省理工学院的研究人员及其同事表明双层石墨烯也可以是铁电的。这意味着材料中的正电荷和负电荷可以自发地分成不同的层。

在大多数材料中,相反的电荷相互吸引;他们想结合。只有施加电场才会将它们推向相反的一侧或两极。在铁电材料中,不需要外部电场来保持电荷分开,从而导致自发极化。但是,施加外部电场确实会产生影响:相反方向的电场会导致电荷切换侧面并使极性反转。

由于所有这些原因,铁电材料用于从医学超声到射频识别(RFID)卡的各种电子系统中。



然而,常规的铁电体是绝缘体。麻省理工学院领导的团队基于石墨烯的铁电材料通过一种完全不同的机制(不同的物理原理)运行,从而可以导电。这就打开了无数其他应用程序。“我们在这里发现的是一种新型的铁电材料,”麻省理工学院物理学研究生,《自然》杂志的第一作者郑志仁(Isaac)郑说。

该论文的合著者,波士顿大学的助理教授马琼(Qongma)着眼于这项工作。人们一直在努力克服与常规铁电体相关的挑战。例如,随着器件继续小型化,铁电相变得不稳定。使用我们的材料,其中一些挑战可能会自动解决。” Ma通过麻省理工学院的材料研究实验室(MRL)担任博士后助理。

除了Jarillo-Herrero,Zheng和Ma之外,该论文的其他作者还来自宾夕法尼亚州立大学,国立成功大学,苏黎世联邦理工学院和哈佛大学。

团队创建的结构由两层石墨烯(双层)组成,夹在上下两个氮化硼(BN)原子薄层之间。每个BN层之间的角度略有不同。从上方看,结果是一个独特的图案,称为莫尔条纹超晶格。郑说,反过来,波纹图案可以“极大地改变材料的性能”。

Jarillo-Herrero的小组在2018年创造了一个重要的例子,当时他们创建了“魔角”双层石墨烯。该结构产生了莫尔条纹,该波纹又可以使石墨烯成为超导体或绝缘体,具体取决于电场所提供的系统中的电子数。根据麻省理工学院当时的新闻报道,从根本上讲,该团队能够“调节石墨烯在两个极端电气条件下的行为”。

因此,通过创建这种莫尔结构,石墨烯不再是石墨烯。几乎神奇地变成了非常非常不同的东西。”马云说。

在当前的工作中,研究人员用石墨烯和氮化硼薄片创建了莫尔条纹,从而产生了一种新的铁电形式。电子通过结构运动所涉及的物理学与常规铁电学不同。

哈佛大学物理学与应用物理学教授菲利普·金(Philip Kim)说:“麻省理工学院的研究小组展示出的铁电令人着迷。”

“这项工作是报道纯电子铁电的第一个演示,它显示出电荷极化,在下面的晶格中没有离子运动。这一令人惊讶的发现必将吸引更多的研究,它们可以揭示更多令人兴奋的新兴现象,并提供将其用于超快存储器应用的机会。”

研究人员旨在通过不仅展示这种新材料在各种应用中的潜力,而且还可以更好地理解其物理原理来继续进行这项工作。马云说:“还有许多我们尚未完全理解的谜,从根本上讲,这很有趣。”



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