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自五年前被发现以来,石墨烯一直是物理学和材料科学领域的热门话题。这种仅有一个原子厚的碳片具有许多有趣的特性,包括透明性、强度和一种允许电子几乎不受阻碍地快速通过的结构。石墨烯的特性和接近二维的特性使其适用于下一代显示器、电子产品或结构复合材料,但像许多当红材料一样,它尚未在大规模应用中找到用武之地。
阻碍石墨烯推广应用的一个问题是对其物理、电子和化学性质的理解尚不完全。例如,在 2007 年,研究人员发现石墨烯并非真正平面的,而是具有纳米尺寸表面波纹的特征粗糙度。(一纳米是十亿分之一米。)一些研究人员推测,波纹可能会阻碍电子在石墨烯中的流动,但这一论断已被证明难以验证。
现在,来自哥伦比亚大学的一个团队在 11 月 19 日出版的Nature杂志上撰文报告称,他们制造出了超平的石墨烯样品,其中材料的波纹被抑制。(大众科学 是自然出版集团的一部分。)研究作者写道,通过将普通石墨烯与新的无褶皱版本进行比较,研究人员应该能够揭示石墨烯的粗糙度对其其他性质的影响。
Mikhail Katsnelson是荷兰奈梅亨拉德堡大学的物理学家,他没有参与这项新研究,他假设石墨烯的波纹是材料中电荷载流子散射的一个可能来源。无论原因是什么,这种散射限制了石墨烯快速传输电子的固有能力。
如果平坦的石墨烯样品被证明具有与普通波纹石墨烯相同的电子迁移率,那么波纹散射理论将被推翻。“相反,如果迁移率会高得多,”Katsnelson 说,“这将直接证实我们关于波纹是电子迁移率主要限制因素的假设。” 如果真是这样,那么消除石墨烯的波纹将证明是朝着在电子产品中使用这种新型材料迈出的重要一步。
Tony Heinz是哥伦比亚大学的物理学家和该研究的共同作者,他说石墨烯的波纹也与其他令人费解的材料特性有关。例如,“它们被认为是单层和多层石墨烯反应性差异的原因,”Heinz 说。单层石墨烯片在化学上是活泼的,但堆叠的石墨烯层——也称为石墨或铅笔“芯”——是惰性的。“迄今为止,一直难以提供波纹作用的确凿证据,因为一直没有可供比较的超平样品,”他补充道。
Heinz 说,使石墨烯变平坦的关键 просто 将其沉积在异常光滑的衬底上。无论该物质可能具有何种内在的褶皱趋势,它都会被与原子级平坦表面的界面相互作用所克服。Heinz 的小组使用了云母,一种硅酸盐矿物,可以解理以产生许多微米宽的光滑表面。Heinz 说,一旦建立了平坦的云母台阶,在这种衬底上制备石墨烯与在传统的、稍微粗糙的衬底(如二氧化硅)上制备石墨烯相比,并没有什么难度。