导读


最近,瑞士科学家开发出了一种表征石墨烯性能的新方法,这种方法无需进行破坏性电气接触,就可以用于研究石墨烯以及其他二维材料的电阻和量子电容。


关键字

石墨烯二维材料电气特性

背景

石墨烯,是一种典型的二维材料,它是由单层碳原子组成蜂窝状的二维晶体。它在力学、电学 、光学 、热学等方面具有许多优异特性,享有“新材料之王”的美誉。


石墨烯几乎是完全透明的,只吸收大约2.3%的可见光,光透率高达97.7%;另外,从理论上讲,它也是最薄、最坚硬、强度最高的材料,硬度超过钻石,强度超过钢铁,除此之外,还能具有很好的柔性;它的导热性能高于碳纳米管和金刚石;常温下,它的电子迁移率超过纳米碳管或硅晶体,电阻比铜或银更低。


2004年,英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授从石墨薄片中剥离出了石墨烯。从那时起,科学家们就一直在探索研究石墨烯的相关特性以及应用。


笔者也曾在之前的多篇文章中,介绍过石墨烯相关的探索和研究,下面举几个例子:


(图片来源于:ICFO/ D. Bartolome)


(图片来源于:加州大学圣迭戈分校 )



(图片来源于: Graphene Flagship)



(图片来源于: 伊利诺大学芝加哥分校/Vikas Berry)


然而,总体来说,针对以石墨烯为代表的二维材料,与电子结构相关的研究还是显得相对较少。

创新


最近,瑞士纳米科学研究所和巴塞尔大学物理系教授 Christian Schönenberge领导的科研团队开发出了一种表征石墨烯特性的新方法,这种方法无需进行破坏性电气接触,就可以用于研究石墨烯以及其他二维材料的电阻和量子电容。


科研人员在《应用物理评论》杂志上发表了他们的研究论文。


技术


电气接触,通常用于表征石墨烯以及其他二维材料的电气性能。然而,使用这种方法有副作用,就是会显著地改变材料的特性。所以,科研人员现在开发出了一种研究这些特性的新方法,无需与材料进行电气接触。


石墨烯层(黑色蜂窝结构)封装在氮化硼(蓝色)中,放置在超导体(灰色)之上,并且与微波谐振器连接一起,通过比较微波信号(RF),来判断石墨烯的电阻和量子电容。


(图片来源于:瑞士纳米科学研究所和巴塞尔大学物理系


石墨烯的电阻和量子电容,会影响到谐振器的品质因数和谐振频率。尽管这些信号十分微弱,但是它们可以被超导谐振器捕捉到。


在谐振器包含和不包含石墨烯的两种情况下,科学家对于谐振器的微波特性进行对比,从而判定石墨烯的电阻和量子电容。


价值


Schönenberger 研究小组的博士生 Simon
Zihlmann
解释道:


“这些参数在判定石墨烯的具体特性以及分辨其应用的限制因素方面很重要。”


在这种方法的开发期间,氮化硼封装的石墨烯是作为一种原型材料来使用的。然而,石墨烯也可以集成到其他材料中,同样也可以用这种方法进行研究。另外,其他的二维材料,例如半导体二硫化钼材料(通常用于太阳能电池和光学方面),也可以在无需使用电气接触的情况下,进行特性表征。

参考资料


【1】https://www.unibas.ch/en/News-Events/News/Uni-Research/New-Method-of-Characterizing-Graphene.html

【2】V. Ranjan, S. Zihlmann, P. Makk, K. Watanabe, T. Taniguchi, C. Schönenberger. Contactless Microwave Characterization of Encapsulated Graphene p−n Junctions. Physical Review Applied, 2017; 7 (5) DOI: 10.1103/PhysRevApplied.7.054015




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石墨烯电气特性表征的新方法:无需电气接触!
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