石墨烯具备很多超越单层石墨的特殊性质。旨在应用石墨烯的研发机会也在全球范围内急剧增加。石墨烯或将成为可实现高速晶体管、高灵敏度传感器、激光器、触摸面板、蓄电池及高效太阳能电池等多种新一代器件的核心材料。一支由哥伦比亚大学领导的国际研究团队开发了一种控制石墨烯的电导率的技术，他们通过对石墨烯叠层复合材料施压成功改变了石墨烯的电子结构，在石墨烯中创建出目前最宽的能带间隙，使复合材料呈现半导体性，向石墨烯导电开关的发展更近一步。

哥伦比亚大学物理系博士后研究员Matthew Yankowitz说：“在我们的星球上，石墨烯是目前最好的电导体。也恰恰因为它在导电方面表现得太好，让我们不知道如何有效地对它加以控制。这次我们的研究课题也建立在解决这个难题上，采取某些技术在不影响石墨烯质量的情况下实现带隙的控制，最终我们通过对石墨烯施加可控压缩解决了这个问题。”其实他们这种技术还能用在其他二维复合材料上，在压力下二维材料可能会出现一些新性能，比如磁性、超导性等。

通过压缩氮化硼/石墨烯复合层，研究人员能够提高材料带隙宽度，使室温下使用的石墨烯半导体应用发展又一步。（图片来源：Philip Krantz）

自十多年前首次发现石墨烯和它特殊的电子性质，这种由六角键合的碳原子组成的二维材料就令整个物理学界沸腾。它不仅是目前存在的最强、最薄的材料，还是极优秀的电导体。它的独特之处在于，石墨烯结构中碳原子以六元环方式排列，使电子能以极高的速度传播，并且不发生散射，这相较于其他导体大大节省了导电过程中被损耗的能量。

石墨烯是一种无带隙结构，这也是它表现出超常导电性的原因，性质固然好，但在应用时却带来了棘手的问题。迄今为止，还没有研究团队能在不改变或牺牲石墨烯优异性质的情况下中止电子在材料中的传输，因为无带隙，电子一旦开动就像泄洪一般无法控制“开与闭”。

“在这个大背景下，石墨烯研究的宏伟目标之一就是找出一种方法，在保存石墨烯所有优点的同时产生带隙-电子开关。” 哥伦比亚大学物理学助理教授Cory Dean说道，他是此项研究的主要研究者。

他进一步解释道，以往科学家通过对石墨烯进行修饰以产生带隙的方法已经失效，因为这会降低石墨烯固有的良好性能。后来研究发展到设计一些超结构，将石墨烯和一些薄层半导体材料复合在一起，通过另一种材料的带隙加入改变整体复合材料的结构。他举了个例子，当石墨烯被夹在氮化硼（也是六方点阵结构，是点绝缘体）层之间，两者晶格节点处有一定的旋转角度时，石墨烯的电子结构就已被修饰，产生带隙，开始使材料呈现出半导体性。但用这种复合方法产生的带隙很窄，室温下不足以在电晶体管器件中发挥作用。

为了加强这种带隙间距，韩国汉城大学国家强磁场实验室和新加坡国立大学的Yankowitz、Dean和他们的同事尝试压缩了氮化硼/石墨烯结构层，发现外加压力显著增加了带隙的尺寸，更有效地阻止了通过石墨烯的电流，使石墨烯导电开关的“闭合”功能的实现变得更有可行性。

新加坡国立大学的Yankowitz教授说：“我们在挤压时施加的压力会使带隙增大，但它仍然没有大到能作为室温下使用的晶体管器件材料。但不管怎么说， 我们都做出了一步意义重大的突破，我们现在已经从根本上更好地理解了如何产生带隙，并进而去调整它。我们也很清楚未来要做些什么，因为目前晶体管在我们的现代电子设备中无处不在，所以如果我们能找到一种能将石墨烯用作晶体管的方法，它的应用价值将不可限量。”

Yankowitz教授又补充说：“科学家多年来一直在高压下用传统三维材料做实验，但是还没有人知道怎么用二维材料做这些实验的方法。我们的研究人员算是在这个方向上做了些贡献，因为我们已经能测试在不同程度的外加压力下，二维层状复合材料在各种组合下的属性。”

Yankowitz教授还建议，材料被压缩时，因二维材料的复合产生的各类新性能都值得我们去探究并进一步发扬。所以他们现在正在做这方面的实验，尝试将各种材料积压在一起，他们的技术都能达到对想要的效果可控调节。目前他们刚添置了台新设备，是一种用于处理二维材料的工具箱，它将为他们后期搭建更多设备提供便利，以及提高对性能设计的可能性。

这项研究由美国国家科学基金会和David和Lucille Packard 基金会赞助，他们的研究成果发在《Nature》期刊上，标题为“Dynamic band - structure tuning of graphene moiré superlattices with pressure”（用压力动态地调谐石墨烯超结构的能带）

文章来源于于哥伦比亚大学的Jessica Guenzel 杂志，原文标题为Researchers control the properties of graphene transistors using pressure。