SEM（扫描隧道显微镜图像）显示了可变宽度的石墨烯纳米棒 原子作为单独的隆起物是可见的
由Nanotechnology 8月31日报道，某一天，罗格斯大学的物理学教授Eva Andrei正在使用铅笔中的石墨来校准扫描隧道显微镜。在操作过程的某个阶段，她开启了一个非常强大的磁场。当她抬起头来看材料的电子频谱时，她被眼前的景象震撼到了。她在石墨烯的电子频谱中看到了巨大而美丽的山峰，简直令人难以置信，而且它们没有任何意义。
记得她最近参加的一个讲座，她意识到石墨已经可以被分离出来达到只有一个原子厚。这种被称为石墨烯的材料具有奇怪的电子特性。但即使是对石墨烯来讲，她所看到的光谱也是非常奇怪的。先前并没有人见过这样的光谱。Eva Andrei偶然间发现了一种新的电子现象。
关于电子在石墨烯中的运动情况，有许多让科学家感到惊喜的事情。其中最令人印象深刻的事情之一是：电子在石墨烯中是如何快速移动。电子通过石墨烯的速度比电子通过用于制造计算机芯片的硅片的速度快100倍以上。在理论上，这一情况表明制造商可以利用石墨烯制造出超高速晶体管，用于超快、超薄、超强的触摸屏，电子产品和太阳能电池等产品领域。
虽然电子通过石墨烯的速度惊人，但这同时也对石墨烯的发展起了一定的限制作用，因为电子通过石墨烯的蜂窝结构时太容易流动。与硅不同，石墨烯缺乏能带隙。（能带隙是电子从自由原子释放并移动到其他原子形成电流时所必须获得的能量）。这种情况有点类似于高速公路上的通行费，电子需要“付费”才能前进。电子器件使用能带隙作为栅极来控制电子流动的方向和时间。由于缺乏能带隙，石墨烯的结构就像电子高速公路一样，电子在这里没有停止的迹象。石墨烯的电子是如此野蛮，难以被驯服，电子之间很难形成差距。
电子像光子一样行走
几个原子厚度的材料的行为与较大厚度的相同材料的行为差异性很大。目前我们面临的最大的挑战就是需要对材料的性质有一个可靠的了解。在大多数材料中，电子以不同的速度移动。但是在石墨烯中，电子都以相同的速度移动。事实上，石墨烯中的电子就像没有质量的光的粒子一样，这就是电子移动如此之快，控制困难的一个原因。
引导电子的交通
研究石墨烯的行为是一回事。弄清楚如何操纵它是另外一回事。科学家一直在尝试几种不同的方法来控制石墨烯中的电子的行为：例如开发纳米带，拉伸，与氮化硼（另一种原子高的材料）配对，并向其中的空白空间施加电荷。科学家们采取了多种方法，因为他们不知道哪一种方法会奏效。与此同时，每种方法都能够为石墨烯的基本属性提供独特的见解。
开发石墨烯纳米带
生产石墨烯纳米带是使材料达到难以想象的薄，甚至更瘦的一种方法。这些纳米带保持了许多石墨烯的积极特征，同时潜在地使科学家可以更好地控制电子的行为，包括创建能带隙。
威斯康星大学和其他地方的研究人员开发了石墨烯纳米带，显示出能带隙。他们表明，当纳米带的宽度小于3纳米时，大约是DNA链的厚度时，它会产生明显的能带隙。同时它也成为半导体。与石墨烯电子高速公路不同，半导体可以在导通的电源之间来回切换。纳米带越窄，电子需要的间隙越大或“能量收费”越大。
但是目前面临的难题是如何制造具有多个宽度的单个纳米纤维束，并因此制成具有不同能带隙的区域。单个宽度的纳米带不能达到科学家设计复杂电路时所需的对电子的控制水平。为了解决这个问题，伯克利实验室的科学家将不同宽度的纳米带组合在一起。这种“带隙工程”对制造半导体器件至关重要，并且是在电路中使用石墨烯的重要一步。
在石墨烯纳米气泡的SEM图像中，图形晶体沿三个主轴变形和拉伸，该菌株产生的伪磁场远远超过实验室生产的任何磁场 图片来源：美国能源部
这些纳米带本身不能使用，所以科学家们正在研究纳米带如何与不同的表面相互作用。南佛罗里达大学研究人员研究了碳化硅（SiC）衬底上的石墨烯纳米带。他们发现纳米带的某些边缘附着到SiC衬底会影响能带隙。相对于没有锚定的纳米带来讲，具有不同宽度和边缘锚定在不同基底上的纳米带可以使科学家能够更好的控制电子性质。
拉伸石墨烯
拉伸石墨烯提供了控制其性能的替代途径当科学家以特定方式拉伸石墨烯时，它形成微小的气泡，其中电子的作用就好像它们实际上处于非常强大的磁场中。这些气泡为科学家提供了操纵石墨烯电子流量的新机会。
与氮化硼配对
当科学家首先探索石墨烯的性质时，他们将其置于二氧化硅的顶部。因为二氧化硅是电子应用的常用绝缘体，所以它似乎是一个理想的搭配。然而，石墨烯尚未达到其全部潜力。
哥伦比亚大学机械工程教授James Hone的团队最终发现，将石墨烯用于氮化硼时，石墨烯的效果会更好。像石墨烯一样，氮化硼只能形成几个原子厚，具有相同的蜂窝结构。然而，它是阻止电子通过它的绝缘体。
他们发现将氮化硼和石墨烯放在一起可以产生一种新材料，其性能非常灵活。这种组合是非常有前途的，用氮化硼来影响石墨烯的性能是一个非常强大的手段。
普通光可能会提供一种影响这种新型复合材料中电子的方法。伯克利实验室的科学家发现，他们可以使用简单灯的光来创建称为“p-n结”的必要的半导体器件。P-n结有一边是正的，缺少电子，另一面是负的，有额外的电子。通过精心设计这些接头，工程师可以控制电子在材料两侧之间如何以及何时移动。他们就像在收费亭上升起来的门。
科学家意识到，如果他们能够以特定的方式在氮化硼中放置固定的静电，它们可以在附近的石墨烯中产生一个p-n结。为了创建p-n连接点，科学家首先准备了石墨烯高速公路，使其具有过量的电子，或者是n型区域。然后，通过在下面的氮化硼上照射光，它们在石墨烯中产生了一个坑洞或p型区域。所以用光脉冲和氮化硼作为介体，它们可以根据需要“将”p-n结——收费门“写入石墨烯中。
即使在科学家关闭光源之后，氮化硼的激活及其对附近石墨烯中电子通量的影响也保持了好几天的时间。科学家还发现他们可以擦除并重新创建这些连接点，这对于设计电子设备可能很重要。
现在研究人员正在使用SEM（SEM使用纳米尺寸的尖端进行电力）以更精确的方式做同样的事情。
在石墨烯的空白空间添加电荷
由于石墨烯独特的结构，即使科学家在其中打孔，石墨烯仍然保持稳定。来自罗格斯大学的Andrei团队利用这一事实，创造出一种“人造原子”来影响石墨烯未损坏部分附近的电子。首先，研究人员向石墨烯上基片上射氦，敲出一个碳原子。然后用SEM将正电荷施加在空位上（被敲出的碳原子曾经占位的地方）的空白空间，像真正的原子一样，正电荷影响了周围石墨烯中电子的轨道。创建这些人造原子可能是未来设备可以控制石墨烯中的电子流的另一种方式。
石墨烯的未来
也许这些曲折最令人惊讶的是，未来的发展前景可能不完全局限于石墨烯。科学家们研究了石墨烯独特的电子特性，发现了由碳以外的元素制成的新型极薄材料。如果一种材料只有几个原子厚度并具有蜂窝结构，它可以显示许多石墨烯的电子性质。事实上，科学家发现硅，锗和锡制成的材料与石墨烯类似。使用这些材料本身或与石墨烯组合可以提供比单独的石墨烯更好的特性。
与此同时，科学家们将继续调查这种经常令人惊讶的材料的奇怪特征。正如哈佛大学物理学教授Philip Kim所说：“研究石墨烯总是会带给我们惊喜。
原文来自：phys网站， 由材料科技在线团队翻译整理。