Language
Country/Area
No result found
從單層到雙層：石墨烯的成長過程中有什麼驚人的轉變？
石墨烯，這種被譽為“材料之王”的物質，自2004年首次被發現以來，迅速吸引了全球科學家的關注。在數個領域中，特別是在電子學和材料科學方面，石墨烯展現出了不可思議的潛力。這篇文章將帶你深入了解雙層石墨烯的結構與特性，並探討其在科學研究與應用上所引發的革新性變化。
雙層石墨烯的結構
雙層石墨烯由兩層石墨烯構成，通常以AB或Bernal堆疊形式存在。在這種結構中，一層的原子會正好位於另一層六邊形的中心之上，而另一部分原子則會落在對應的位置。相比之下，AA堆疊的情況較少見，因為這需要兩層完全對齊。伯納堆疊的石墨烯常常會出現雙邊界情況，顯現出不同的結構變化。
“在AB堆疊結構中，觀察到的結合能量顯示出其比AA堆疊結構更加穩定。”
雙層石墨烯的合成方法
雙層石墨烯的製備方法主要有兩種：從石墨中剝離以及化學氣相沉積（CVD）。2016年，科研人員通過氧激活的化學氣相沉積能夠製造出大面積的單晶雙層石墨烯。隨後，另一個韓國團隊報告了其合成的wafer級AB堆疊單晶雙層石墨烯。
可調帶隙的特性
與單層石墨烯類似，雙層石墨烯同樣具有零帶隙的特性，將其視為半金屬。然而，科學家於2007年預測，只要對兩層施加電位位移場，就能引入帶隙，形成所謂的“可調帶隙”。這一假設於2009年得到了實驗證實，並在2015年進行了擴展觀察。
複雜狀態的出現
2014年，研究人員首次描述了雙層石墨烯中的複雜電子狀態出現，特別是分數量子霍爾效應，並展示這一效應可以通過電場進行調節。2017年，他們進一步報告了在雙層石墨烯中觀察到的偶數分數量子霍爾狀態。
激子凝聚的潛力
雙層石墨烯有潛力實現激子的波色-愛因斯坦凝聚。儘管電子和空穴是費米子，但當它們形成激子時，則會轉變為玻色子，這使得波色-愛因斯坦凝聚成為可能。理論上，激子凝聚體在雙層系統中已顯示出能夠承載超電流。
扭曲雙層石墨烯中的超導性
麻省理工學院的Pablo Jarillo-Herrero博士和哈佛大學，以及日本筑波國立材料科學研究所的研究團隊，於2018年3月在《自然》雜誌上報告了1.1°扭曲雙層石墨烯中觀察到的超導性。他們的發現確認了早在2011年就被預測的理論模型，該模型表明，自由電子穿越兩層石墨烯所需的能量在這個角度下會產生重大變化。
“想像一下，如何將石墨烯用於製造可以在超導體與絕緣體之間切換的超導晶體管。”
場效應晶體管的應用
雙層石墨烯 مناسب用於構建場效應晶體管，其利用小的能隙，在特定的範圍內發揮特效。儘管能隙小於250 meV，限制了其在傳統場效應晶體管中的表現，但這一特性使得其在隧道場效應晶體管中表現出色。
超快鋰擴散的優勢
據報導，雙層石墨烯作為單相混合導體表現出超快的鋰擴散能力，超過石墨的十倍。此優勢不僅提高了電子導通速度，還保持了離子傳導的高效，可被應用於鋰電池等能源儲存設備中。
從外延雙層石墨烯獲得的超硬碳
市立大學的研究人員發現，經過原子力顯微鏡的沖擊後，雙層石墨烯在與矽碳化合物的接觸中會短暫變硬到超過鑽石的程度。這一發現為個人護甲材料的發展鋪平了道路。
多孔納米片的製備
2014年，研究人員報導了一種通過簡便方法製備未堆疊石墨烯的路徑，所產生的材料具有1628 m²/g的比表面積，電導性且擁有良好的多孔結構，具有廣泛的應用潛力，特別是在鋰硫電池中發揮性能。
表徵技術的發展
透過高光譜全球拉曼成像技術，科學家能快速且準確地表徵雙層石墨烯的品質。這項技術可以提供有關結構、形態及層數的重要資訊。
雙層石墨烯作為一種新型材料，在物理性質與應用潛力上均顯示出令人驚豔的變化。未來，它能否解決當前科技面臨的諸多挑戰？
