研究人员更接近于控制二维石墨烯

您目前正在阅读本文的设备诞生于硅革命。为了构建现代电路，研究人员通过掺杂来控制硅的电流传导能力，这是一个在电子曾经存在的地方引入带负电的电子或带正电的“空穴”的过程。这允许控制电流，对于硅而言，涉及将其他可以调节电子的原子元素(称为掺杂剂)注入其三维 (3D) 原子晶格。

然而，硅的 3D 晶格对于下一代电子产品来说太大了，包括超薄晶体管、用于光通信的新设备以及可以佩戴或植入人体的柔性生物传感器。为了缩小尺寸，研究人员正在试验厚度不超过单片原子的材料，例如石墨烯。但用于掺杂硅3D的尝试和真实方法不与2D石墨烯，其由单一的工作层的碳原子数通常不传导电流的。

研究人员没有注入掺杂剂，而是尝试在“电荷转移层”上分层，以增加或拉出石墨烯中的电子。然而，以前的方法在其电荷转移层中使用了“脏”材料。这些中的杂质会使石墨烯掺杂不均匀并阻碍其导电能力。

现在，Nature Electronics 的一项新研究提出了一种更好的方法。由哥伦比亚大学的 James Hone 和 James Teherani 以及韩国成均馆大学的 Won Jong Yoo 领导的跨学科研究团队描述了一种通过由低杂质氧硒化钨 (TOS) 制成的电荷转移层掺杂石墨烯的清洁技术.

该团队通过氧化另一种二维材料硒化钨的单个原子层，生成了新的“清洁”层。当 TOS 层叠在石墨烯上时，他们发现它使石墨烯上布满了导电孔。通过在 TOS 和石墨烯之间添加一些硒化钨原子层，可以对这些孔进行微调，以更好地控制材料的导电性能。

研究人员发现，石墨烯的电迁移率，或者说电荷通过它的容易程度，在他们的新掺杂方法中比以前的尝试更高。添加硒化钨间隔物进一步增加了迁移率，使 TOS 的影响变得可以忽略不计，从而使迁移率由石墨烯本身的固有特性决定。这种高掺杂和高迁移率的结合使石墨烯具有比铜​​和金等高导电金属更高的导电性。

研究人员说，随着掺杂石墨烯在导电方面变得更好，它也变得更加透明。这是由于泡利阻塞，一种通过掺杂操纵的电荷阻止材料吸收光的现象。在电信中使用的红外波长下，石墨烯的透明度超过 99%。实现高透明度和导电率对于通过基于光的光子设备传输信息至关重要。如果吸收太多光，信息就会丢失。该团队发现掺杂 TOS 的石墨烯的损耗比其他导体的损耗小得多，这表明这种方法可能具有下一代超高效光子器件的潜力。

“这是一种按需定制石墨烯特性的新方法，”Hone 说。“我们才刚刚开始探索这种新技术的可能性。”

一个有希望的方向是通过改变 TOS 的图案来改变石墨烯的电子和光学特性，并将电路直接压印在石墨烯本身上。该团队还致力于将掺杂材料集成到新型光子器件中，在透明电子、电信系统和量子计算机中具有潜在应用。