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美国开发新型“魔角石墨烯”有望用于军用夜视领域

 

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-08-20  浏览次数:420
在美国国家科学基金会、海军研究办公室、陆军研究办公室的资助下,美国耶鲁大学和德克萨斯大学的研究团队揭示了“魔角石墨烯”导电性能在中红外光作用下的响应机理。该研究有望应用于军用高灵敏度红外夜视探测器。
       石墨烯是一层以扁平蜂窝状排列的碳原子,因其优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。近年来关于石墨烯的研究已由单层的二维结构拓展到双层结构,即双层石墨烯。通过将双层重叠石墨烯进行微量的角度偏移可得到“魔角石墨烯”,该结构可实现与单层石墨烯显著不同的电学性能。2018年,麻省理工学院证明了将两层石墨烯层扭曲1.1度可产生二维超导体,该超导体是一种无电阻且无能量损失的导电材料。2019年,俄亥俄州立大学研究表明当偏移0.93度时,“魔角石墨烯”可同时显示超导状态与绝缘状态。这种超导电性和绝缘性使“魔角石墨烯”成为研究热门,但尚未有研究表明其工作机理。
       为充分探究“魔角石墨烯”机理并推广其应用,耶鲁大学和德克萨斯大学联合开展研究。首先,研究人员将双层石墨烯扭转,网格中出现了一种新的周期性图案——莫尔图案。新的莫尔图案也是六边形,但可以由10000多个碳原子组成。并且扭曲角越小,莫尔图案的周期性就越大。两层石墨烯错位的扭曲角对材料的导电性能至关重要。其次,常规晶体的能带结构和光吸收率可通过标准算法获得,但对于双层石墨烯这种人造晶体,研究人员提出了一种新的计算方法,并利用德克萨斯大学的超级计算机计算了结构状态并展示了材料如何吸收光。最后,研究人员制造了由六方氮化硼(hBN)封装的双层石墨烯器件并进行了实验,结果表明石墨烯器件在中红外光照射下导电性显著增强,并且在1.8度的扭曲角处达到最大。当扭曲角小于0.5度时,这种显著的光响应逐渐消失。该实验结果与莫尔图案周期性理论吻合,从根本上阐明了双层石墨烯通过扭曲实现独特导电性的机理。
       扭曲角对“魔角石墨烯”的性质至关重要,这种方法可以推广应用到其他二维材料。研究人员下一步将致力于“魔角石墨烯”的光响应和超导特性的集成研究。美陆军研究办公室固态电子学和电磁学项目经理表示,这项新突破将可能应用于基于石墨烯的新型高灵敏度红外探测器,而这类新型探测器则有望应用到对美陆军至关重要的夜视领域。 
 
 
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