由美国哥伦比亚大学领导、韩国首尔大学和新加坡国立大学参加的研究团队研发出一项新技术，通过挤压一氮化硼（BN）和石墨烯层可调整石墨烯的导电性，使得石墨烯在成为当前电子器件可用半导体材料上又迈进了一步。研究成果发表在5月17日的《自然》杂志上。
图为研究成果示意图
在十余年前石墨烯被发现之日起，石墨烯不寻常的电子特性使整个物理界都兴奋起来。石墨烯是现有已知强度最大、最薄的材料，也碰巧是电的良导体。石墨烯中独特的碳原子排布使电子能够以极高的速度穿行，不会发生显著的散射，节省通常在其他导体中出现的能量损耗。但是，在不改变或牺牲石墨烯最受欢迎特性的前提下关断材料中电子的传输到目前为止还没有成功。
哥伦比亚大学物理学学院博士后和论文的第一作者Matthew Yankowitz说：“石墨烯是我们已知地球上最好的导电体。问题是它的导电性太好了，我们不知道如何有效停止。”
哥伦比亚大学物理学副教授、论文的主要作者Cory Dean说：“石墨烯研究中一个宏愿是找出一种方式，既能保持石墨烯的所有优势，又能产生带隙—一个电子开关。”他解释了过去改变石墨烯以产生带隙的方法都在本质上削弱了石墨烯的优良特性，使其可用性降低。
一种超级结构显示出了前景。当石墨烯夹在单原子薄的电绝缘体BN层之间时，两种材料旋转对齐，BN层改变了石墨烯的电子结构，产生了带隙，使得石墨烯能够像半导体一样工作。但由这一层单独所产生的带隙并不达到可使室温下电子晶体管有效工作的程度。在增加带隙的研究中，研究团队将多层BN-石墨烯结构进行挤压后发现，持续施加压力可增加带隙的尺寸，能够更有效阻止石墨烯中的电子流。
Yankowitz说：“2D组合材料的突出特征将随着材料的挤压而变强。我们现在可以拿着任意结构进行挤压，所产生效果的强度是可调节的。我们在操控2D材料所用工具箱中增加了新的实验工具，该工具在产生带有设计者所需特性的器件上开启了无边的可能性。”
Yankowitz表示，研究人员已在传统三维材料上进行了多年的高压力实验，但还没有人找到可对2D材料实施的对应方式。现在，研究人员能够测试施加不同程度的压力是如何改变堆叠2D材料多种组合的特性。Yankowitz说：“随着我们挤压和施加压力，带隙在增加。虽然带隙还不足够大，不足以实现一个强有力的开关来满足室温晶体管器件的使用，但我们从根本上更好地了解了为什么存在带隙，如何调整，以及我们未来的目标是什么。晶体管在我们现代电子设备中无处不见，因此如果我们能够找到一个方式将石墨烯作为晶体管使用，它将有广泛的应用。”
Yankowitz说：“我们的工作第一次建立了一种路径，能够在不降低石墨烯特性的前提下从技术上让石墨烯中实现带隙。而且，如果将该技术应用于其他2D材料组合，将带来磁、超导等新现象。”
该研究由国家科学基金会（NSF）、大卫与露茜尔·派克德基金会提供资金支持。
Matthew Yankowitz, Jeil Jung, Evan Laksono, Nicolas Leconte, Bheema L. Chittari, K. Watanabe, T. Taniguchi, Shaffique Adam, David Graf, Cory R. Dean. Dynamic band-structure tuning of graphene moiré superlattices with pressure. Nature, 2018; 557 (7705): 404 DOI:10.1038/s41586-018-0107-1
