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更好的组合:石墨烯-纳米管混合开关

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-11-09  浏览次数:9
核心提示:石墨烯被称为是一种神奇的材料,能够执行伟大和不寻常的材料杂技。氮化硼纳米管在材料领域也不是游手好闲的人,它可以被工程应用

石墨烯被称为是一种神奇的材料,能够执行伟大和不寻常的材料杂技。氮化硼纳米管在材料领域也不是游手好闲的人,它可以被工程应用于物理和生物领域。然而,就其本身而言,这些材料在电子世界中使用起来很糟糕。作为导体,石墨烯让电子释放得太快——没有控制或阻止它们——而氮化硼纳米管是如此的绝缘,以至于电子会被拒绝,就像一只过分热心的狗撞上天井的门一样。

 

但是,这两种材料合在一起就构成了一个可行的数字开关,这是控制计算机、电话、医疗设备和其他电子产品中的电子的基础。


密歇根理工大学的物理学教授尤克钦雅普(Yoke Khin Yap)与一个研究小组合作,通过结合石墨烯和氮化硼纳米管,创造了这些数字开关。《科学报告》最近发表了他们的研究成果。


“问题是:如何将这两种材料融合在一起?”Yap说。关键是最大化它们现有的化学结构和利用它们不匹配的特性。


石墨烯是一种分子厚的碳原子层;纳米管就像由硼和氮组成的吸管。Yap和他的团队对石墨烯进行去死皮处理,并通过微小的针孔修改材料的表面。然后他们就可以把纳米管长出来,穿过针孔。这种材料像这样交织在一起,看起来就像一片长着飘忽不定的细毛的树皮。


“当我们把这两个外星人放在一起的时候,我们就创造出了更好的东西,”雅普说。他解释说,重要的是这些材料有不平衡的带隙,或者在激发材料中的电子所需的能量上存在差异。“当我们把它们放在一起时,就会形成一个带隙不匹配——这就产生了一个所谓的‘势垒’,阻止了电子。”


这种带隙不匹配是由材料的结构造成的:石墨烯的平板导电速度快,而纳米管中的原子结构使电流暂停。这种差异造成了一种障碍,这是由于电流在头发状的氮化硼纳米管附近和周围移动时电子运动的差异造成的。这些被称为异质连接的物质之间的接触点使数字开关成为可能。


更好的结合:石墨烯-纳米管混合开关“想象电子就像汽车行驶在平滑的轨道上,”雅普说。“他们绕了一圈又一圈,然后来到一个楼梯前,被迫停下来。”


Yap和他的研究小组还发现,由于这些材料在导电或阻电方面各自都非常有效,因此产生的开关比很高。换句话说,材料开启和关闭的速度比目前的石墨烯开关快几个数量级。反过来,这种速度最终可能会加快电子和计算的步伐。


Yap说,为了有一天能实现更快更小的计算机,这项研究是过去研究的延续,即在没有半导体的情况下制造晶体管。像硅这样的半导体的问题是它们只能变得很小,而且它们会释放很多热量;石墨烯和纳米管的使用绕过了这些问题。此外,石墨烯和氮化硼纳米管具有相同的原子排列模式或晶格匹配。石墨烯-纳米管数字开关的原子排列整齐,可以避免电子散射问题。


“你想要控制电子的方向,”雅普解释说,他把这种挑战比作弹球机,它可以捕捉、减慢电子的速度,并重新引导电子。“这在高速环境中是很困难的,电子散射减少了电子的数量和速度。”


就像一个街机爱好者一样,雅普说他和他的团队将继续寻找方法来智胜或改变石墨烯弹珠的设置以最小化电子散射。总有一天,他们所有的调整会为我们其他人带来更快的电脑和数字弹球游戏。


 
 
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