据物理学组织网站2018年5月16日报道，由美国哥伦比亚大学领导的国际研究团队近日开发出一种利用压力调控石墨烯电学特性的新技术，有望将石墨烯变为更接近电子器件应用需求的实用半导体材料。相关研究成果已发表在近期的《自然》杂志上。
石墨烯是地球上最好的导电体。但正是因为石墨烯导电性太强，缺少半导体特性，使其无法直接应用于电子器件之中。为此，哥伦比亚大学在美国国家科学基金会、大卫和露西尔帕克德基金会共同支持下，首次发起并开展了石墨烯电学特性压力调控研究工作，旨在找到在不牺牲石墨烯材料优良特性前提下实现石墨烯带隙调控的有效技术途径，并以此为基础进行拓展，找到调控其他二维材料的磁学、超导等特性的途径。
石墨烯具有由六角碳原子环组成的蜂窝式层状结构，是一种拥有独特电子特性的二维材料，也是已知存在的最薄、最坚硬的材料。石墨烯中碳原子独特的排列方式降低了电子的散射几率，使电子能以极高的速度移动，并节省了电子在其他导体材料中运动时容易被耗散掉的能量。但是，目前在不改变或牺牲石墨烯有利特性的情况下，想停止电子在石墨烯材料中的传输状态几乎是不可能的。
当前，石墨烯研究的宏伟目标是找到一种在保持石墨烯所有优良特性的同时还能创造出一个有效半导体带隙的方法。超晶格结构为实现这一目标带来了希望。目前已证实，当石墨烯夹在两层原子层厚度的氮化硼(BN)电绝缘层之间构成三明治结构时,石墨烯的能带结构会发生改变，形成具有类似半导体的带隙。但是，由这种特殊层状结构形成的带隙宽度还不够大，不足以支持室温下晶体管电子器件的运行。为了增大这一带隙，哥伦比亚大学联合国家高强度磁场实验室、韩国首尔大学和新加坡国立大学开展研究并发现，对氮化硼-石墨烯三明治结构施加压力可大大增加石墨烯材料的带隙宽度，从而能够更有效地对流经石墨烯的电流实施阻断操作。虽然，目前的实验结果还未达到可用于在室温下操纵晶体管器件的水平，但研究人员已从根本上理解了带隙产生和存在的机理，并清楚如何调控带隙以及未来可达到的目标。晶体管在现代电子设备中无处不在，因此，如果能找到一种方法来使用石墨烯制造晶体管，它将会得到更加广泛的应用。
之前科学家们其实一直在研究高强度压力作用对于传统三维材料导电性的影响，但至今还没有专门针对二维材料的研究。哥伦比亚的学的研究工作将填补这项空白，有望揭示不同强度的压力对包括石墨烯在内的各种二维材料特性的影响。下一步，研究人员将进一步完善实验条件，探索通过压力作用调控其他二维材料特性的方法。
