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石墨烯既可以做绝缘体也可以做超导体?

2018-03-22 /  行业动态

来源:粉体网

麻省理工学院和哈佛大学的研究人员又有了新发现,石墨烯可以通过调节变为绝缘体或超导体。过去研究者们通过将石墨烯与其他超导材料结合的方式合成石墨烯超导体,这种结构使得石墨烯具备一定的超导特性。但是最新的研究表明,石墨烯靠自己也可以实现超导,证明单纯的碳基材料本身也具有超导性。

神奇的“魔角”

研究人员通过创建两个石墨烯薄片堆叠在一起的“超晶格”结构来实现这一性质。石墨烯薄片不是完全重合叠加,而是在一个特定的角度(研究人员称其为“魔角”),也就是旋转1.1度(如上图右侧所示)。这样就形成了精确的莫尔结构,这种结构可以使石墨烯薄片之间的电子发生强相互作用。在其他任何方式的堆叠结构中,石墨烯都很少与相邻的电子产生相互作用。

研究人员发现,当以这个“魔角”旋转时,两片石墨烯不导电,类似于莫特绝缘体。当研究人员施加电压,向石墨烯超晶格添加少量电子时,就会发现在一定水平上,电子突破了初始绝缘状态,形成电流,并且没有电阻,就像超导体一样。“现在我们可以利用石墨烯作为研究超常规超导的新平台,” 研究人员说,“人们也可以想象出从石墨烯中制造出一种超导晶体管,这种晶体管可以由开关控制其从超导到绝缘体的变化。这为量子设备提供了许多可能性。”

什么是莫特绝缘体?

绝缘体的能带完全被电子沾满,而像金属这样的导体其能带被部分填充,电子可以自由填充剩下的空能带。而莫特绝缘体与两者不同,从它的能带结构看是可以导电的,但是测量时却表现出绝缘体的特性。也就是说虽然它们的能带是半填充的,但是由于电子间的静电作用(例如同种电荷互相排斥),材料不导电。半填充带基本上分裂成两个平坦的能带,电子完全占据其中一条,另一条是空的,因而表现出绝缘体的性质。

“这意味着所有的电子都不能流动,所以它是绝缘体”研究人员解释道。“莫特绝缘体为什么重要?有数据表明,大多数高温超导体的母体化合物都是莫特绝缘体。”换句话说,科学家已经找到了能让莫特绝缘体变成超导体的方法,在约100K的时候。研究人员用氧去“吸”莫特绝缘体,氧原子将电子从莫特绝缘体中吸出去,留下更多的空间让剩余的电子流动。氧气充足的条件下,绝缘体就能变成导体。

如何制备出“魔角”结构的石墨烯

在研究石墨烯的电子性质时,研究人员开始研究简单的石墨烯堆。研究人员首先从石墨中剥离一块石墨烯薄片,然后用涂有粘性聚合物的玻璃片和一层氮化硼绝缘材料,小心地将一半的薄片剥离出来,从而制造出两片超晶格。然后他们轻轻地转动玻璃片,拿起了石墨薄片的第二部分,贴在前半部分上。这样,他们就得到了一个超晶格的偏移结构,这是与石墨烯原始蜂窝晶格截然不同的结构。

研究人员重复了几次这个实验,做了几个装置,使石墨烯超晶格在0-3°之间旋转不同的角度,测量电流通过。如果旋转角度下降0.2°,所有的物理现象消失,没有超导体或莫特绝缘体出现,所以必须非常精确地对准旋转角度。

1.1°被认为是一个“魔角”,研究人员发现,石墨烯超晶格电子类似扁平带结构,就像莫特绝缘体,无论动量是多少,所有的电子携带相同的能量。研究人员说:“想象汽车的动量是质量×速度,如果以30英里/小时的速度行驶,汽车会有一定的动能。如果以60英里/小时的速度行驶,这个动能就会更高。而我们现在的情况是想象不管速度是30、60或是100英里/小时,都拥有同样的能量。”对电子来说这就意味着即使它们占据了半填充的能带,一个电子的能量不比任何其他电子的多,不足以使它在这个能带内移动。因此,即使这样半填充的能带结构应该像导体一样,它却表现为绝缘体的特性,更确切一点说是莫特绝缘体。

“魔角”结构的石墨烯做成超导体

研究人员从之前的结论中得到这样一个想法:如果他们能把电子添加到这些类似莫特绝缘体的超晶格中,就像用氧掺杂莫特绝缘体使它们变成超导体一样,石墨烯会反过来呈现超导性质吗?为了找出答案,他们将一个小的触发电压施加到“魔角石墨烯超晶格”,向其中加入少量的电子。结果单个电子与石墨烯中的其他电子结合在一起,并且可以流动。过程中,研究人员继续测量材料的电阻,却发现当他们添加一定量的少量电子时,电流就像超导体一样不损耗能量。

更重要的是,研究人员可以在同一个设备中通过调整石墨烯使其变成绝缘体或超导体,或是这之间的任何相位。这与之前其他的方法形成鲜明的对比,以前科学家们需要制备和操作成百上千个单独的晶格,每一个晶格只能在一个电子相位中运行。

也就是说研究人员可以通过研究石墨烯这一种材料就可以获取绝缘体、超导体以及中间任何相位的物理信息。而目前其他任何材料都还不具备这种性质。

 

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