导读


石墨烯的电子特性一直都很神秘,科学家们也一直未停止探索。然而,最近澳大利亚科学家利用钻石量子传感器,通过量子成像的方法,对于石墨烯中的电子运动情况进行了研究,并且给出了非常直观的图像。

技术关键字

石墨烯二维材料量子成像、钻石传感器

创新背景

首先,我们再次回顾一下石墨烯这个二维材料:


石墨烯,是一种由碳原子组成的蜂窝状结构的薄片,只有一层原子的厚度的二维材料。它在很多方面都显示出了极其优秀的特性,例如:「薄」、「硬」、「可弯曲」、「导热性好」、「导电性好



由于具有诸多优秀特性,所以石墨烯应用很广泛,John 之前也做过一些介绍例如:《石墨烯笼将硅粒子”关住”以提升锂电池性能石墨烯可以用于检测癌症:这不是捕风捉影!低成本的石墨烯生物传感器芯片:实时检测DNA突变新型石墨烯NFC天线:柔性、轻便、低成本、耐用石墨烯腕带,可以监测血糖并治疗糖尿病晶圆之母?石墨烯”复制机器”,降低晶圆制造成本!》。


概括一下,应用领域包括:复合材料、导热导电、锂电池、传感器、触摸屏、显示屏、通信、医疗、电子元器件、半导体等等。


然而,石墨烯的电子特性,是我们关注的重点。迈向未来电子领域:双层石墨烯设备控制电子运动》、《三层石墨烯:有助于电子的波动性和磁特性研究!》、《研究石墨烯等二维材料的电子特性:科学家有新招!这三篇文章中,John 曾介绍过国际上对于单层、双层、甚至三层石墨烯的电子特性进行的一些研究。


对于电子特性的研究,是为了让石墨烯材料更好地应用于半导体或者电子设备,从而发挥其最大的潜能。


也许,大家会知道石墨烯内部有着大量的不同寻常的电子迁移现象,所以石墨烯特别适合于作凝聚物理学的基础研究,以及未来用于开发新型电子设备。


但是,石墨烯材料内部的电子运动情况到底是怎样的呢?眼见为实,我们有没有可能看到直观的图像呢?


创新探索

为了应对上述的问题,澳大利亚墨尔本大学的科研人员进行了创新探索,并且取得显著成果。他们不仅突破了现有技术存在的种种限制,而且更好的理解了石墨烯材料中的电子运动。


他们利用钻石量子传感器平台进行量子成像。这是一种通用的、非侵入式的方法。它不但获取到石墨烯结构中的电流图像,而且分辨率很高,达到亚微米级,另外进行操作的温度范围也很广,包含室温条件。


(图片来源于:David A. Broadway/cqc2t.org)

墨尔本大学量子计算和通信技术中心(CQC2T)副主任 Lloyd Hollenberg 教授是这项研究的团队领头人,这项研究的论文《石墨烯中电流的量子成像》“

Quantum imaging of current flow in graphene” 发表于《科学进展》杂志。

核心技术

量子成像技术平台是这项研究的核心技术平台,它由一种近表面的、原子级的钻石量子传感器阵列构成,能映射出矢量磁场,重建石墨烯中的矢量电流密度。


该平台测量出的石墨烯内部电流产生的磁场图像,会根据亚微米尺度的物理缺陷的不同,表现出强烈的空间分布变化,进而揭示出电流的特性和石墨烯结构中亚微米级别的缺陷之间的联系。


钻石成像平台上的石墨烯带示意图:



(图片来源于:参考资料【2】)

注解如下:

(A) 实验示意图。钻石平台中的钻石芯片具有一层近表面的氮空位(NV)中心。石墨烯设备直接安装在钻石芯片上,而钻石芯片安装在具有微波谐振器的盖玻片上。绿色激光器照射NV中心引起的光致发光PL和微波激发,通过摄像头成像,从而形成磁场图像。

(B) 最终设备的光学显微照片。钻石外部和金属接触,焊线用于石墨烯带的电流注入。

(C) 摄像头记录的明视场图片,聚焦于石墨烯带(不可见)。

(D) 在激光激发PL的同一区域的光致发光图像。石墨烯带由于光致发光的萃灭而变得可见。

(E) PL和位置的关系图。


磁场图像和电流密度的重建:

(图片来源于:参考资料【2】)

靠近石墨烯缺陷处的电流:


(图片来源于:参考资料【2】)

靠近金属接触位置的电流:

(图片来源于:参考资料【2】)

创新价值


这种创新方法为研究石墨烯结构和设备内部基本的电子运动和自旋输运,开辟了一条非常重要的新途径。


更普遍的说,研究的范围还可以扩大到二维材料和薄膜系统,不仅可以映射出普通的电流,还可以映射出自旋电流和磁偶极矩。


应用价值


Lloyd Hollenberg 教授认为:


“下一代基于超薄材料的电子设备,包括量子计算机特别容易受到损害,从而具有微小的裂缝和缺陷,对于电流产生影响。”


所以,这项技术使得我们能够对于包括石墨烯内的二维材料中的电流进行成像,便于我们直观的判断这些缺陷,对于电流产生什么样的影响。


未来,量子计算机、存储设备、柔性显示设备、生物传感器都会使用到石墨烯等二维材料,而这项技术无疑会提升这些设备的性能,使它们变得更加可靠。

参考资料


【1】http://cqc2t.org/home

【2】http://advances.sciencemag.org/content/3/4/e1602429.full



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石墨烯中电流的量子成像:可以用钻石量子传感器!
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