電子間相互作用是石墨烯具備超性能的關(guān)鍵

作為一種超薄、超強(qiáng)、超柔和超高速的導(dǎo)電體，石墨烯已被電子領(lǐng)域視為具有廣泛應(yīng)用的神奇材料。但要想充分發(fā)揮石墨烯的巨大潛力，科學(xué)家們首先必須了解石墨烯的超能力從何而來。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)8月3日(北京時(shí)間)報(bào)道，美國(guó)科學(xué)家已經(jīng)朝這個(gè)方向邁出了最新一步：他們的研究首次證實(shí)，石墨烯中電子間的相互作用是石墨烯具有非凡性能的關(guān)鍵。相關(guān)論文已發(fā)表于《自然·物理學(xué)》雜志。

電子在石墨烯中能以接近光速的速度行進(jìn)，是硅材料中電子移動(dòng)速度的100倍。由于石墨烯中的電子表現(xiàn)得與沒有質(zhì)量的極端相對(duì)論性自由電子一樣，而科學(xué)家保羅·狄拉克在1928年用狄拉克方程描述了相對(duì)論性的電子行為，因此石墨烯中的電荷載體也被稱為“狄拉克準(zhǔn)粒子”，也就是無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子。領(lǐng)導(dǎo)該研究的美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)家邁克爾·克羅米說：“石墨烯中的電子對(duì)帶電雜質(zhì)制造的庫侖勢(shì)作出的回應(yīng)與傳統(tǒng)的原子—雜質(zhì)系統(tǒng)中非相對(duì)論性電子的表現(xiàn)應(yīng)該極為不同。然而，直到現(xiàn)在，與這種極端相對(duì)論性系統(tǒng)有關(guān)的許多關(guān)鍵理論預(yù)言都還沒有得到檢驗(yàn)。”

而他帶領(lǐng)的研究小組首次在顯微尺度上觀測(cè)并記錄了一個(gè)門控石墨烯設(shè)備中電子和空穴是如何對(duì)庫倫勢(shì)作出回應(yīng)的，從而為“電子間相互作用是石墨烯非凡性能的關(guān)鍵”的理論提供了實(shí)驗(yàn)支撐。他們先在最常見的半導(dǎo)體基底二氧化硅襯底上放置氮化硼薄片，然后在薄片上沉積一個(gè)石墨烯層，由此制成一個(gè)門控設(shè)備，并利用超高真空掃描隧道顯微鏡(STM)對(duì)門控設(shè)備進(jìn)行探測(cè)。同時(shí)，他們用顯微鏡的尖端自動(dòng)操縱鈷單體在石墨烯片上構(gòu)建出鈷三聚體來作為制造庫倫勢(shì)的帶電雜質(zhì)。

超高真空掃描隧道顯微鏡通過記錄石墨烯電子結(jié)構(gòu)的空間變化，展示了電子和空穴對(duì)庫倫勢(shì)作出的回應(yīng)。將實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的電子—空穴不對(duì)稱與理論模擬相比較，研究小組不僅能夠驗(yàn)證相關(guān)的理論預(yù)測(cè)，而且還發(fā)現(xiàn)石墨烯的介電常數(shù)足夠小，而這正是電子間相互作用決定了石墨烯非凡性能的佐證，并且對(duì)于理解石墨烯中的電子如何移動(dòng)非常重要。

“有些研究人員認(rèn)為，電子與電子的相互作用對(duì)石墨烯的內(nèi)在性能而言并不重要，但另一些專家的觀點(diǎn)相反。我們首次用圖像展示了極端相對(duì)論性電子如何通過重新排列自己來對(duì)庫侖勢(shì)作出回應(yīng)，證明了電子間相互作用是決定石墨烯性能的一個(gè)重要因素。”克羅米說。