研究人員更接近于控制二維石墨烯

您目前正在閱讀本文的設備誕生于硅革命。為了構建現代電路，研究人員通過摻雜來控制硅的電流傳導能力，這是一個在電子曾經存在的地方引入帶負電的電子或帶正電的“空穴”的過程。這允許控制電流，對于硅而言，涉及將其他可以調節電子的原子元素(稱為摻雜劑)注入其三維 (3D) 原子晶格。

然而，硅的 3D 晶格對于下一代電子產品來說太大了，包括超薄晶體管、用于光通信的新設備以及可以佩戴或植入人體的柔性生物傳感器。為了縮小尺寸，研究人員正在試驗厚度不超過單片原子的材料，例如石墨烯。但用于摻雜硅3D的嘗試和真實方法不與2D石墨烯，其由單一的工作層的碳原子數通常不傳導電流的。

研究人員沒有注入摻雜劑，而是嘗試在“電荷轉移層”上分層，以增加或拉出石墨烯中的電子。然而，以前的方法在其電荷轉移層中使用了“臟”材料。這些中的雜質會使石墨烯摻雜不均勻并阻礙其導電能力。

現在，Nature Electronics 的一項新研究提出了一種更好的方法。由哥倫比亞大學的 James Hone 和 James Teherani 以及韓國成均館大學的 Won Jong Yoo 領導的跨學科研究團隊描述了一種通過由低雜質氧硒化鎢 (TOS) 制成的電荷轉移層摻雜石墨烯的清潔技術.

該團隊通過氧化另一種二維材料硒化鎢的單個原子層，生成了新的“清潔”層。當 TOS 層疊在石墨烯上時，他們發現它使石墨烯上布滿了導電孔。通過在 TOS 和石墨烯之間添加一些硒化鎢原子層，可以對這些孔進行微調，以更好地控制材料的導電性能。

研究人員發現，石墨烯的電遷移率，或者說電荷通過它的容易程度，在他們的新摻雜方法中比以前的嘗試更高。添加硒化鎢間隔物進一步增加了遷移率，使 TOS 的影響變得可以忽略不計，從而使遷移率由石墨烯本身的固有特性決定。這種高摻雜和高遷移率的結合使石墨烯具有比銅??和金等高導電金屬更高的導電性。

研究人員說，隨著摻雜石墨烯在導電方面變得更好，它也變得更加透明。這是由于泡利阻塞，一種通過摻雜操縱的電荷阻止材料吸收光的現象。在電信中使用的紅外波長下，石墨烯的透明度超過 99%。實現高透明度和導電率對于通過基于光的光子設備傳輸信息至關重要。如果吸收太多光，信息就會丟失。該團隊發現摻雜 TOS 的石墨烯的損耗比其他導體的損耗小得多，這表明這種方法可能具有下一代超高效光子器件的潛力。

“這是一種按需定制石墨烯特性的新方法，”Hone 說。“我們才剛剛開始探索這種新技術的可能性。”

一個有希望的方向是通過改變 TOS 的圖案來改變石墨烯的電子和光學特性，并將電路直接壓印在石墨烯本身上。該團隊還致力于將摻雜材料集成到新型光子器件中，在透明電子、電信系統和量子計算機中具有潛在應用。