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《自然·通讯》发表缪峰教授、王伯根教授课题组石墨烯压电性质研究重要进展

作为自然界最薄,同时具备优异导电性和弹性的材料,石墨烯不仅在后摩尔时代电子器件领域受到广泛的关注,并且在纳米机电系统方向也展现了巨大的应用潜力。同时,二维材料体系依靠层间的范德瓦尔斯力堆叠而成,导致了它们的电子结构和电学性质受层间耦合作用影响很大,然而层间耦合作用对二维材料机电性质的影响却鲜有报道。

悬浮石墨烯电子器件光学显微镜图片;压力调制电导显微镜装置示意图;不同层数悬浮石墨烯器件相对电导变化随石墨烯应变的变化关系曲线;垂直压力施加状态下三层石墨烯晶格结构畸变示意图。

为了系统探索石墨烯层间耦合作用对其机电性质的影响,这项工作利用微加工工艺在二氧化硅衬底上制备了一系列微米尺度沟道,再利用机械解理法得到了不同层数的悬浮石墨烯,最后利用可校准掩膜板工艺成功制备了悬浮石墨烯电子器件。该方法避免了传统湿法工艺的缺点,可得到高质量的悬浮石墨烯器件,为石墨烯本征压电性质的测量提供了器件基础。利用基于原子力显微镜构建的压力调制电导显微镜技术,这项工作进一步系统研究了从单层到多层悬浮石墨烯的压电性质,首次发现了多层石墨烯中正的压电电导效应,并发现该效应在三层石墨烯中表现最明显。基于非平衡格林函数和第一性原理计算的理论研究表明,这个新奇的现象来源于石墨烯层间耦合作用和层内电子跃迁的相互竞争。单层石墨烯体系里只有层内的电子输运,因此表现出负的压电电导效应;而多层石墨烯体系由于存在层间耦合作用,并且该耦合作用受到层数和应力的调控,最终表现出跟随层数和应力变化的正的压电电导效应。该项工作丰富了人们对石墨烯的本征机电性质的理解,并指出石墨烯层数在构建基于石墨烯的纳米机电系统和柔性电子器件中的重要作用。基于这项发现,课题组已申请国家发明专利一项,并进入实质审查阶段。

(物理学院 缪峰 科学技术处)

相关研究得到科技部“量子调控”国家重大科学研究计划项目、科技部国家重点基础研究发展计划、江苏省杰出青年基金、国家自然科学基金、教育部协同创新计划等资助。

我校物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、微结构科学与技术协同创新中心的缪峰教授课题组和王伯根教授课题组在石墨烯的压电性质研究领域取得重要进展,相关论文以“The
positive piezoconductive effect in
graphene”为题,于2015年9月11日发表在《自然·通讯》杂志上 (Nature
Communications
6,
8119,2015www.nature.com/ncomms/2015/150911/ncomms9119/full/ncomms9119.html)。该工作主要由南京大学和中国科学技术大学合作完成。邢定钰院士直接参与和指导了本文的工作。我校物理学院博士生徐康开展了实验工作,中科大博士生王科和我校物理学院赵为博士进行了理论工作,通讯作者是南京大学缪峰教授、王伯根教授及中科大乔振华教授。

该工作为该课题组继今年5月报道的二硫化铼研究进展(Nature
Communications
6,
6991,2015)之后,在二维材料电子输运及器件领域取得的又一重要进展。相关链接:
www.nature.com/ncomms/2015/150507/ncomms7991/full/ncomms7991.html。

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