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从单层到双层：石墨烯的成长过程中有什么惊人的转变？
石墨烯，这种被誉为“材料之王”的物质，自2004年首次被发现以来，迅速吸引了全球科学家的关注。在数个领域中，特别是在电子学和材料科学方面，石墨烯展现出了不可思议的潜力。这篇文章将带你深入了解双层石墨烯的结构与特性，并探讨其在科学研究与应用上所引发的革新性变化。
双层石墨烯的结构
双层石墨烯由两层石墨烯构成，通常以AB或Bernal堆叠形式存在。在这种结构中，一层的原子会正好位于另一层六边形的中心之上，而另一部分原子则会落在对应的位置。相比之下，AA堆叠的情况较少见，因为这需要两层完全对齐。伯纳堆叠的石墨烯常常会出现双边界情况，显现出不同的结构变化。
“在AB堆叠结构中，观察到的结合能量显示出其比AA堆叠结构更加稳定。”
双层石墨烯的合成方法
双层石墨烯的制备方法主要有两种：从石墨中剥离以及化学气相沉积（CVD）。 2016年，科研人员通过氧激活的化学气相沉积能够制造出大面积的单晶双层石墨烯。随后，另一个韩国团队报告了其合成的wafer级AB堆叠单晶双层石墨烯。
可调带隙的特性
与单层石墨烯类似，双层石墨烯同样具有零带隙的特性，将其视为半金属。然而，科学家于2007年预测，只要对两层施加电位位移场，就能引入带隙，形成所谓的“可调带隙”。这一假设于2009年得到了实验证实，并在2015年进行了扩展观察。
复杂状态的出现
2014年，研究人员首次描述了双层石墨烯中的复杂电子状态出现，特别是分数量子霍尔效应，并展示这一效应可以通过电场进行调节。 2017年，他们进一步报告了在双层石墨烯中观察到的偶数分数量子霍尔状态。
激子凝聚的潜力
双层石墨烯有潜力实现激子的波色-爱因斯坦凝聚。尽管电子和空穴是费米子，但当它们形成激子时，则会转变为玻色子，这使得波色-爱因斯坦凝聚成为可能。理论上，激子凝聚体在双层系统中已显示出能够承载超电流。
扭曲双层石墨烯中的超导性
麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero博士和哈佛大学，以及日本筑波国立材料科学研究所的研究团队，于2018年3月在《自然》杂志上报告了1.1°扭曲双层石墨烯中观察到的超导性。他们的发现确认了早在2011年就被预测的理论模型，该模型表明，自由电子穿越两层石墨烯所需的能量在这个角度下会产生重大变化。
“想像一下，如何将石墨烯用于制造可以在超导体与绝缘体之间切换的超导晶体管。”
场效应晶体管的应用
双层石墨烯 مناسب用于构建场效应晶体管，其利用小的能隙，在特定的范围内发挥特效。尽管能隙小于250 meV，限制了其在传统场效应晶体管中的表现，但这一特性使得其在隧道场效应晶体管中表现出色。
超快锂扩散的优势
据报导，双层石墨烯作为单相混合导体表现出超快的锂扩散能力，超过石墨的十倍。此优势不仅提高了电子导通速度，还保持了离子传导的高效，可被应用于锂电池等能源储存设备中。
从外延双层石墨烯获得的超硬碳
市立大学的研究人员发现，经过原子力显微镜的冲击后，双层石墨烯在与矽碳化合物的接触中会短暂变硬到超过钻石的程度。这一发现为个人护甲材料的发展铺平了道路。
多孔纳米片的制备
2014年，研究人员报导了一种通过简便方法制备未堆叠石墨烯的路径，所产生的材料具有1628 m²/g的比表面积，电导性且拥有良好的多孔结构，具有广泛的应用潜力，特别是在锂硫电池中发挥性能。
表征技术的发展
透过高光谱全球拉曼成像技术，科学家能快速且准确地表征双层石墨烯的品质。这项技术可以提供有关结构、形态及层数的重要资讯。
总之，双层石墨烯作为一种新型材料，在物理性质与应用潜力上均显示出令人惊艳的变化。未来，它能否解决当前科技面临的诸多挑战？
