人造分子石墨烯，磅礡登場
- 上線日期：2012/6/23 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
美國科學家最近製作出第一個人造石墨烯(graphene)樣本，其電子特性可以透過在自然石墨烯上無法實施的方式加以控制。此樣本可以用來研究所謂迪拉克(Dirac)電子的特性，並可望促進具有奇特性質的新一代量子材料與元件的發展。
石墨烯是具有蜂巢晶格的單層平面碳材料，電子在石墨烯中的行為如同無靜止質量的相對論性粒子，能以接近光速在材料內運動。這些稱為無質量迪拉克費米子(massless Dirac fermion)的獨特行為可以應用在一些領域中，例如來製作超高速電晶體。
此新穎材料「分子石墨烯」(molecular graphene)由史丹佛大學Hari Manoharan團隊所設計製造，類似一般的石墨烯，不過它的基本電子性質容易調控多了。研究人員利用低溫掃描穿隧式顯微鏡(STM)來製作此材料，該顯微鏡的探針針尖是由銥原子構成，能將一氧化碳分子放置在表面極平滑的銅基板上。一氧化碳分子會排斥銅表面的自由電子，迫使它們形成蜂巢狀圖案，導致其行為類似無質量的石墨烯電子。
研究人員測量材料內電子的傳導頻譜(conductance spectrum)並確認這些電子為無質量迪拉克費米子。分析結果符合無質量相對論性二維迪拉克方程式，而非一般電子所遵守的薛丁格(Schrodinger)方程式。該團隊藉由移動銅表面的一氧化碳位置，成功調控此分子石墨烯的電子性質。改變一氧化碳的位置相當於扭曲材料的晶格結構，使電子彷彿暴露在強電場或強磁場中，因此得以調控電子的行為。該團隊亦在系統中製造缺陷或引入雜質，以調製銅表面的電子密度。
Manoharan表示，以這種方法研究人造晶格或許能發展出科技應用，同時也提供一種控制迪拉克費米子的新境界，讓科學家能夠以實驗探討過去僅能以理論計算的現象，例如在電子間引入可控制的交互作用能用來在石墨烯中產生自旋液體(spin liquid)，而若能在電子間引入自旋軌道交互作用，則可用來觀測自旋量子霍爾效應(spin quantum Hall effect)。分子石墨烯是此類「設計型」(designer)量子結構的第一個作品，該團隊希望能以相同手法製作出其他擁有奇異拓撲性質的奈米級材料。詳見Nature ｜DOI:10.1038/nature10941。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/48949
譯者:翁任賢(成功大學物理系)
責任編輯:劉家銘
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