新发现的石墨烯特性可能会影响下一代计算

麻省理工学院的研究人员和同事发现了石墨烯的一种重要且出乎意料的电子特性，这种材料仅在 17 年前才被发现，其有趣的物理特性继续让科学家们感到惊讶。这项工作涉及由同样具有生物相容性的原子级薄材料层组成的结构，可能会带来新的、更快的信息处理范式。一个潜在的应用是神经形态计算，它旨在复制体内负责从行为到记忆的一切的神经元细胞。

这项工作还引入了研究人员很高兴探索的新物理学。

“基于石墨烯的异质结构继续产生令人着迷的惊喜。我们在这个简单而超薄的系统中对非常规铁电性的观察挑战了许多关于铁电系统的普遍假设，它可能为整整一代新的铁电材料铺平道路，”说Pablo Jarillo-Herrero 是麻省理工学院 Cecil 和 Ida Green 物理学教授，也是这项工作的负责人，该工作涉及与麻省理工学院三个系的其他五位教职员工的合作。

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石墨烯是由单一的层布置在类似六角形的蜂窝结构的碳原子。自从发现这种材料以来，科学家们已经证明，石墨烯层的不同配置可以产生各种重要的特性。基于石墨烯的结构可以是无电阻导电的超导体，也可以是阻止电流移动的绝缘体。它们甚至被发现具有磁性。

在去年 12 月发表在《自然》杂志上的当前工作中，麻省理工学院的研究人员和同事表明，双层石墨烯也可以是铁电的。这意味着材料中的正电荷和负电荷可以自发地分成不同的层。

在大多数材料中，相反的电荷会相互吸引;他们想结合。只有施加电场才能将它们推向相反的两侧或两极。在铁电材料中，不需要外部电场来保持电荷分开，从而产生自发极化。但是，施加外部电场确实会产生影响：相反方向的电场会导致电荷换边并反转极化。

郑智仁 (Isaac) Zheng 举起了麻省理工学院研究人员和同事创造的新铁电结构样本(郑的头顶上方带有金色边缘的黑色小方块)。金结构是研究人员用来测量新铁电结构的无制冷剂稀释冰箱的内部。图片来源：Sergio de la Barrera，麻省理工学院

由于所有这些原因，铁电材料被用于各种电子系统，从医学超声到射频识别 (RFID) 卡。

然而，传统的铁电体是绝缘体。麻省理工学院领导的团队基于石墨烯的铁电体通过完全不同的机制——不同的物理学——运作，使其能够导电。这开辟了无数其他应用程序。“我们在这里发现的是一种新型铁电材料，”麻省理工学院物理学研究生、《自然》论文的第一作者郑智仁 (Isaac) Zheng 说。

马琼，麻省理工学院博士 2016 年，该论文的合著者和波士顿学院的助理教授对这项工作进行了展望。“人们一直在努力克服与传统铁电体相关的挑战。例如，随着设备继续小型化，铁电相变得不稳定。使用我们的材料，其中一些挑战可能会自动解决。” 马通过麻省理工学院的材料研究实验室 (MRL) 作为博士后助理开展目前的工作。

重要模式

该团队创建的结构由两层石墨烯(一个双层)组成，夹在上面和下面的原子级氮化硼 (BN) 薄层之间。每个 BN 层与其他层的角度略有不同。从上方看，结果是一种称为莫尔超晶格的独特图案。反过来，莫尔图案“可以显着改变材料的特性，”郑说。

Jarillo-Herrero 的小组在 2018 年展示了一个重要的例子。在这项工作中，研究人员也堆叠了两层石墨烯，同样发表在《自然》杂志上。然而，这些层并不完全重叠。相反，它以 1.1 度的“魔角”略微旋转。由此产生的结构产生了莫尔图案，这反过来又使石墨烯成为超导体或绝缘体，这取决于系统中由电场提供的电子数量。根据当时麻省理工学院的新闻报道，从本质上讲，该团队能够“调整石墨烯以使其在两个极端的电性能下运行”。

“因此，通过创造这种莫尔条纹结构，石墨烯不再是石墨烯。它几乎神奇地变成了非常非常不同的东西，”马说。

在目前的工作中，研究人员用石墨烯和氮化硼片创建了莫尔图案，从而产生了一种新形式的铁电性。电子通过结构运动所涉及的物理学不同于传统的铁电体。

“麻省理工学院小组展示的铁电性令人着迷，”哈佛大学物理学和应用物理学教授菲利普·金说，他没有参与这项研究。

“这项工作是第一个报告纯电子铁电性的证明，它在底层晶格中表现出电荷极化而没有离子运动。这一令人惊讶的发现肯定会吸引进一步的研究，以揭示更多令人兴奋的新兴现象，并提供机会将它们用于超快记忆应用程序。”

研究人员的目标是通过不仅展示新材料在各种应用中的潜力，而且更好地了解其物理特性来继续这项工作。“仍有许多谜团我们没有完全理解，而且从根本上来说非常有趣，”马说。

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