中國粉體網(wǎng)訊 密西根科技大學的物理教授Yoke Khin Yap帶領(lǐng)他的團隊一直致力于石墨烯-氮化硼納米管數(shù)字交換機的研究。
石墨烯由于其獨特的性能和優(yōu)勢，常被稱為神奇的材料。氮化硼納米管也是一個非常有益的物質(zhì)，可以應(yīng)用于生物和物理領(lǐng)域。
但是這兩種材料無法單獨應(yīng)用于電子領(lǐng)域。石墨烯屬于導體，可以使電子無限制地快速流動。氮化硼納米管則是高度絕緣的材料，無法流通電子。當這兩種材料結(jié)合起來，就可以作為一種數(shù)字開關(guān)使用。這種開關(guān)是控制手機、電腦、電子醫(yī)療設(shè)備和其他電子產(chǎn)品的關(guān)鍵。
Yap說：“問題如何將這兩種材料融合在一起�！逼鋵嵔鉀Q方案在于，考慮這兩種物質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)，從而最大化地利用其不匹配的特點。
如圖所示為物理學教授Yoke KhinYap開發(fā)的混合型石墨烯(灰色)-氮化硼納米管(粉紅色和紫色)，這是制備數(shù)字開關(guān)的關(guān)鍵。
納米級微調(diào)
基本上，石墨烯的厚度為單層碳原子，而氮化硼納米管類似于吸管結(jié)構(gòu)。Yap帶領(lǐng)的研究團隊將石墨烯剝離后，將材料表面修飾成小孔，使納米管通過這些小孔進行生長，最終形成一種類似于不規(guī)則樹皮片的網(wǎng)狀材料。
Yap說：“當我們將這兩種物質(zhì)結(jié)合在一起后，能制備出性能更好的物質(zhì)。關(guān)鍵是這些材料有不平衡的帶隙（也就是使得電子發(fā)生躍遷的能變）。當這兩種物質(zhì)結(jié)合后，形成的帶隙制造出所謂的“勢壘”，阻止電子的流動。”
材料結(jié)構(gòu)引起帶隙的變化。石墨烯片就可以導電，而碳納米管結(jié)構(gòu)阻止電子的流動。
由于氮化硼納米管附近不斷的電子流通，這種差異最終發(fā)展成為一種電子運動障礙，在兩種材料之間的接觸點處形成異質(zhì)結(jié)。這種異質(zhì)結(jié)就是形成數(shù)字開/關(guān)的關(guān)鍵。
Yap說：“想象一下，電子就像汽車一樣行駛在光滑的軌道上，不停地轉(zhuǎn)呀轉(zhuǎn)，當遇到樓梯時，被迫停止前進�！�
研究小組已經(jīng)證實，開關(guān)的切換率與材料導電/不導電的轉(zhuǎn)換性能高度相關(guān)。簡單來說，我們研制出的材料，其開關(guān)速度比目前石墨烯開關(guān)高幾個數(shù)量級，這就可以使得電子產(chǎn)品的計算速度增加。
解決半導體困境
Yap團隊的研究結(jié)果為未來創(chuàng)建更快和更小型的電腦提供了前提。他們的研究是基于早期不含半導體的晶體管。
由于會散發(fā)出大量的熱，硅質(zhì)半導體只能制備成很小的尺寸，混合型石墨烯-氮化硼納米管則克服了這一障礙。此外，這兩種材料具有相同的晶格匹配度（原子排列形式），因此作為數(shù)字交換機可以避免因原子排列差異帶來的電子散射問題。
Yap解釋說：“在電子高速運動的情況下，控制電子的運動方向是十分困難的，而電子散射可以減少電子的數(shù)量，降低電子的運動速度。就像一個彈球機，在遇到障礙后，會使得球體的運動速度和運動方向發(fā)生變化�！�
未來，Yap和他的團隊將尋找新的方法來消除或改進石墨烯的電子散射效應(yīng)，從而使運行速度更快的電腦的開發(fā)成為現(xiàn)實。
該研究結(jié)果發(fā)表在《科學報告》上。
石墨烯由于其獨特的性能和優(yōu)勢，常被稱為神奇的材料。氮化硼納米管也是一個非常有益的物質(zhì)，可以應(yīng)用于生物和物理領(lǐng)域。
但是這兩種材料無法單獨應(yīng)用于電子領(lǐng)域。石墨烯屬于導體，可以使電子無限制地快速流動。氮化硼納米管則是高度絕緣的材料，無法流通電子。當這兩種材料結(jié)合起來，就可以作為一種數(shù)字開關(guān)使用。這種開關(guān)是控制手機、電腦、電子醫(yī)療設(shè)備和其他電子產(chǎn)品的關(guān)鍵。
Yap說：“問題如何將這兩種材料融合在一起�！逼鋵嵔鉀Q方案在于，考慮這兩種物質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)，從而最大化地利用其不匹配的特點。
如圖所示為物理學教授Yoke KhinYap開發(fā)的混合型石墨烯(灰色)-氮化硼納米管(粉紅色和紫色)，這是制備數(shù)字開關(guān)的關(guān)鍵。
納米級微調(diào)
基本上，石墨烯的厚度為單層碳原子，而氮化硼納米管類似于吸管結(jié)構(gòu)。Yap帶領(lǐng)的研究團隊將石墨烯剝離后，將材料表面修飾成小孔，使納米管通過這些小孔進行生長，最終形成一種類似于不規(guī)則樹皮片的網(wǎng)狀材料。
Yap說：“當我們將這兩種物質(zhì)結(jié)合在一起后，能制備出性能更好的物質(zhì)。關(guān)鍵是這些材料有不平衡的帶隙（也就是使得電子發(fā)生躍遷的能變）。當這兩種物質(zhì)結(jié)合后，形成的帶隙制造出所謂的“勢壘”，阻止電子的流動。”
材料結(jié)構(gòu)引起帶隙的變化。石墨烯片就可以導電，而碳納米管結(jié)構(gòu)阻止電子的流動。
由于氮化硼納米管附近不斷的電子流通，這種差異最終發(fā)展成為一種電子運動障礙，在兩種材料之間的接觸點處形成異質(zhì)結(jié)。這種異質(zhì)結(jié)就是形成數(shù)字開/關(guān)的關(guān)鍵。
Yap說：“想象一下，電子就像汽車一樣行駛在光滑的軌道上，不停地轉(zhuǎn)呀轉(zhuǎn)，當遇到樓梯時，被迫停止前進�！�
研究小組已經(jīng)證實，開關(guān)的切換率與材料導電/不導電的轉(zhuǎn)換性能高度相關(guān)。簡單來說，我們研制出的材料，其開關(guān)速度比目前石墨烯開關(guān)高幾個數(shù)量級，這就可以使得電子產(chǎn)品的計算速度增加。
解決半導體困境
Yap團隊的研究結(jié)果為未來創(chuàng)建更快和更小型的電腦提供了前提。他們的研究是基于早期不含半導體的晶體管。
由于會散發(fā)出大量的熱，硅質(zhì)半導體只能制備成很小的尺寸，混合型石墨烯-氮化硼納米管則克服了這一障礙。此外，這兩種材料具有相同的晶格匹配度（原子排列形式），因此作為數(shù)字交換機可以避免因原子排列差異帶來的電子散射問題。
Yap解釋說：“在電子高速運動的情況下，控制電子的運動方向是十分困難的，而電子散射可以減少電子的數(shù)量，降低電子的運動速度。就像一個彈球機，在遇到障礙后，會使得球體的運動速度和運動方向發(fā)生變化�！�
未來，Yap和他的團隊將尋找新的方法來消除或改進石墨烯的電子散射效應(yīng)，從而使運行速度更快的電腦的開發(fā)成為現(xiàn)實。
該研究結(jié)果發(fā)表在《科學報告》上。
