http://www.physorg.com/news135861983.html
http://www.lbl.gov/publicinfo/newscenter/pr/2008/MSD-phonon-floodgate.html
July 21, 2008
(PhysOrg.com) -- 美國能源部 Lawrence Berkeley 國家實驗室的科學家完成了配備「閘極」電極之石墨薄片（graphene，石墨烯）的首次掃描穿隧能譜（STS）。在深入了解這種獨特的、來自於碳的二維結晶後，這是一連串驚奇中最新的一個：一種意料之外的、峽谷般的（gap-like）特徵（請參考上述網站）出現在穿隧至石墨薄片單層原子之電子能譜中。
Michael Crommie，Berkeley 實驗室材料科學部門的科學家，同時也是 UCB 物理系教授，解釋石墨薄片電子結構這種罕見的特徵，是由於穿隧電子與聲子（phonons， 2D 石墨薄片結晶體的量子化振動）的交互作用所致，，而且可能導致未來石墨薄片奈米裝置的新奇應用。
一個由 Yuanbo Zhang 所領導的團隊，Crommie 研究小組中的博士後研究員，發現石墨薄片的神祕能隙；這項研究出現在 Nature Physics 網站的線上版。
"單層石墨薄片 -- 一層原子厚的小薄片 -- 首度由英格蘭 Manchester 大學的 Andrew Geim 小組在 2005 年分離，且自此之後受到熱切的研究，" Crommie 說。他表示它雖然跟奈米碳管一樣大有可為，不過其平面幾何的潛在功能甚至更多。它除了像紙一樣能切開、剪出適合的形狀外，這些形狀還能用來控制電子流動、在邊緣加上獨特的磁性，或是在二維矩陣精確的位置上摻雜原子。二維賦予了驚人的自由度，他說，但為了更進一步了解這種新材料，我們需要知道在原子尺度下發生了什麼事，這就是掃描穿隧顯微術（STM）參與之處。
STM 的使用端是尖端，一根細微的金屬絲十分靠近一個導電表面 -- 在此例中是此微小金屬電極所接觸的石墨薄片。在尖端與樣本間所施加的電壓導致電子在之間穿隧（tunnel） -- 一種「穿隧電流」。在電壓固定下，這種穿隧電流依尖端和表面的位置而有所不同，所以透過尖端掃描薄片，可測繪出表面的地形圖。
電流也能因改變尖端與表面之間的電壓而有所不同，那能產生關於材料電子結構的資訊 -- 尤其是尖端下面的局部狀態密度（local density of states，LDOS，與能量相關之電子密度。）將 STM 這種顯微術與能譜學（spectroscopy）結合，讓研究者能構成一幅電子態的空間性分佈影像。
Crommie 小組的實驗使用片狀剝落的（exfoliated）石墨薄片，透過機械性方式自一大塊碳劈開單層原子所製成的個別石墨薄片。該小組將電極附加在石墨薄片與其下由矽導電層所構成的基質，而二者之間則由一層絕緣的二氧化矽所分離。
這種實驗設置因而能獨特地包含兩種截然不同的電壓差（voltage differences）：STM 尖端與表面之間的偏壓（bias voltage），以及石墨薄片與其下基質之間的閘極電壓（gate voltage）。
"控制閘極電壓的目的是要變更石墨薄片中電荷載體的密度，" Crommie 說。"變更 STM 偏壓的目的是要完成能譜學，故我們能觀察石墨薄片在不同能量下的局域狀態密度。我們想要知道電子在哪？它們行為如何？"
這些問題因石墨薄片奇怪的電子特性而顯得格外有趣。在石墨薄片中的碳原子被安排在六角形的角角上，如同細鐵絲網一樣（chicken wire，雞網），在每個原子的四個電子中有三個涉及與其鄰居構成的分子鍵；這些是在材料平面上的σ軌域（sigma orbitals）。剩餘的電子在π軌域（pi orbitals ）延伸出石墨薄片的平面上、下。π軌域的混成（hybridization）則延展穿過石墨薄片，而自由電子則如同高速的「相對論性準粒子（relativistic quasiparticles，所謂的迪拉克費米子 (Dirac fermions)，其舉止猶如它們沒有質量）」般自由的移動。
在石墨薄片中的迪拉克費米子能態座標圖（plot），看起來與傳統 3D 半導體十分不同，那通常由二條相對的拋物線構成：一條低能價帶（valence band）與一條高能傳導帶（conduction band），在它們之間有個（能）帶隙（band gap），沒有電荷載體能夠佔據它。
相較之下，石墨薄片的迪拉克費米子能態呈現出二個圓錐形，它們的頂點聚集在一個最小電子密度的點上，稱為迪拉克點（Dirac point，譯註：與迪拉克之海沒關係）。因此，你能預期起因於電子穿隧至石墨薄片的狀態密度的圖譜會是線性的、沿著接觸圓錐平滑的邊緣。
"然而，當我們畫出我們閘極石墨薄片的 LDOS 圖譜時，我們卻發現一種峽谷般的特徵，那以費米能（Fermi energy）為中心 -- 不管我們如何以閘極電壓改變石墨薄片中電荷載體的密度，也不管我們怎麼瞧這塊小薄片，" Crommie 說。
費米能是石墨薄片中最高已佔用電子態的能量，而且是這類型測量的參考能量。
"來自於 STM 尖端的電子穿隧幾乎無法進入這個峽谷區域中能量最低的石墨薄片，但是在能量稍高之處，有個突如其來的、大幅圖高的穿隧，如同一個水閘門為電子而開。" 而且這不是石墨薄片圖譜中唯一奇怪之處。
"圖譜中有另一種特色， 一種狀態的局部最小化（local minimum of states），當我們改變閘極電壓時（也因此改變材料中電荷載體的密度），那以一種相當規律的方式移動，" Crommie 說。這個研究團隊能明確確認這種特徵是電子從 STM 尖端穿隧到迪拉克點本身（石墨薄片中最小的狀態密度）的標記。
而這個神祕的「峽谷」本身為何？"我們領悟到，這並不是一個真正的能隙；那並非石墨薄片之電子的帶結構的某種特徵，" Crommie 說。"相反的，它標誌著穿隧電子與聲子（石墨薄片晶格的量子化振動）的交互作用。"
石墨薄片樣本中自然發生的振動對 Crommie 小組的 STM 設置而言，是最小的，因為那非常冷（只高於絕對零度 4 度）。然而，當尖端與石墨薄片樣本的偏壓增加到一特別的閾值時，63 millivolts，"接著每個穿隧電子能夠在石墨薄片表面上創造出一個聲子振動，那讓電子能夠更容易進入石墨薄片，" Crommie 說。
更確切的說，這種「聲子援助（phonon-assistance，"聲援"）」導致電子穿隧傳導性冷不防增加超過了 10 倍，猶如聲子實質上為電子開闢了一條新渠道讓電子流過。Crommie 說，"我們稱它做聲子水閘門。"
這種新渠道其下的起因來自於碳的σ軌域，那通常不會引導電子（一如π軌域），但是當石墨薄片振動時那就會參一腳了。"當一個聲子被創造出來時，σ軌域有點擦到π軌域，且作用如潤滑油，幫助穿隧電子插入石墨薄膜中，" Crommie 說。（後略譯）
※ 相關報導：
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http://dx.doi.org/10.1038/nphys1022
Yuanbo Zhang, Victor W. Brar, Feng Wang, Caglar Girit,＊ 迪拉克電子在鉍當中的相變
Yossi Yayon, Melissa Panlasigui, Alex Zettl &
Michael F. Crommie
Nature Physics Published online: 20 July 2008
doi: 10.1038/nphys1022
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