波紋圖案無處不在。它們是通過將兩個(gè)相似但不相同的幾何設(shè)計(jì)分層而創(chuàng)建的。一個(gè)常見的例子是通過第二個(gè)鐵絲網(wǎng)圍欄查看鐵絲網(wǎng)圍欄時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)的模式。
十多年來，科學(xué)家們一直在試驗(yàn)將一片石墨烯置于兩片氮化硼之間時(shí)出現(xiàn)的波紋圖案。由此產(chǎn)生的波紋圖案顯示出誘人的效果，可以極大地改進(jìn)半導(dǎo)體芯片，這些芯片用于為從計(jì)算機(jī)到汽車的一切事物提供動(dòng)力。由布法羅大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)并發(fā)表在《自然通訊》上的一項(xiàng)新研究表明，石墨烯在這種情況下可以兌現(xiàn)其承諾。
“我們最近的工作表明，這種特殊的石墨烯和氮化硼夾層結(jié)構(gòu)具有適用于新技術(shù)應(yīng)用的特性，”布法羅大學(xué)電氣工程系教授兼系主任 Jonathan Bird 博士說。該研究的部分資金來自美國(guó)能源部和空軍科學(xué)研究辦公室的 MURI 資助。
石墨烯由碳制成，就像木炭和鉆石一樣。石墨烯的不同之處在于碳原子組合在一起的方式：它們以六邊形或蜂窩狀模式連接。由此產(chǎn)生的材料是已知存在的最薄的材料，如此之薄以至于科學(xué)家稱其為二維材料。
放任不管，石墨烯導(dǎo)電性很好——事實(shí)上，導(dǎo)電性太好了，無法用于微電子技術(shù)。但是，通過將石墨烯夾在兩層同樣具有六邊形圖案的氮化硼之間，會(huì)產(chǎn)生莫爾圖案。這種模式的存在伴隨著石墨烯特性的顯著變化，本質(zhì)上將通常的導(dǎo)電材料轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂校惏雽?dǎo)體）特性的材料，更適合在高級(jí)微電子學(xué)中使用。
這項(xiàng)研究確定了石墨烯中的莫爾圖案如何適用于新型通信設(shè)備、激光器和發(fā)光二極管等技術(shù)應(yīng)用。“我們的工作證明了這種方法的可行性，表明我們正在研究的石墨烯/氮化硼三明治確實(shí)具有微電子所需的有利特性，”伯德說。
有問題的半導(dǎo)體芯片不僅在智能手機(jī)和醫(yī)療設(shè)備中必不可少，而且在洗碗機(jī)、吸塵器和家庭安全系統(tǒng)等智能家居設(shè)備中也是必不可少的。“現(xiàn)代技術(shù)依賴于構(gòu)成系統(tǒng)核心并控制其運(yùn)行的半導(dǎo)體芯片，”伯德說。“當(dāng)你對(duì)著手機(jī)說話時(shí)，是芯片將你的聲音轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)并將其傳輸?shù)叫盘?hào)塔。”
石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)似乎具有適合工程設(shè)計(jì)的特性。開發(fā)基于這些材料的未來技術(shù)可能取決于發(fā)現(xiàn)和利用可實(shí)現(xiàn)更高速度和功能的特性。Bird 指出，在發(fā)現(xiàn)、對(duì)發(fā)現(xiàn)的興奮和實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)的承諾之間通常存在滯后。直到 2004 年才發(fā)現(xiàn)石墨烯——它是如此普遍，以至于在任何用鉛筆潦草地寫下的便條中都有它的身影。
Bird 獲得了物理學(xué)博士學(xué)位，但他被電氣工程所吸引，因?yàn)檫@使他能夠通過研究半導(dǎo)體來探索量子物理學(xué)。量子物理學(xué)——“發(fā)生在原子尺度上的那種神奇物理學(xué)，”他解釋說——可以通過使用在原子水平上探索材料和過程的技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來觀察。
“我們可以獲得一個(gè)系統(tǒng)來響應(yīng)我們采取的行動(dòng)，而這種響應(yīng)反映了系統(tǒng)的原子和量子性質(zhì)的細(xì)節(jié)，”他說。石墨烯引起了他的注意，因?yàn)樗坪跏且环N通過對(duì)半導(dǎo)體的研究來研究量子效應(yīng)的方法。在 UB，他建立了一個(gè)名為 NoMaD 的實(shí)驗(yàn)室，他、他的同事和他們的學(xué)生在那里研究“發(fā)生在納米尺度上的量子現(xiàn)象”。畢業(yè)生已在英特爾和 IBM 以及其他大學(xué)就職。
在這項(xiàng)研究中，Bird 和他的團(tuán)隊(duì)在創(chuàng)造新技術(shù)必須達(dá)到的一定限度內(nèi)探索了石墨烯的特性。半導(dǎo)體芯片行業(yè)是一個(gè)持續(xù)增長(zhǎng)的龐大行業(yè)，需要新材料、使用現(xiàn)有材料的新方法以及能夠開發(fā)這兩種材料的新勞動(dòng)力。
