Only Perception: 雷射在石墨烯中製造許多搶手的能帶隙

2011-07-01

雷射在石墨烯中製造許多搶手的能帶隙

Lasers could produce much sought-after band gaps in graphene
http://www.physorg.com/news/2011-06-lasers-sought-after-band-gaps-graphene.html

By Lisa Zyga, June 20, 2011

(PhysOrg.com) -- 石墨烯（graphene，碳組成的二維晶格）最常被引用的特色之一是其獨特的電子特性。這些電子特性中有許多使得石墨烯成為一種吸引人的碳基電子學材料。但在這些特性中，石墨烯也是一種無能隙（ gapless）的半導體。一如物理學家 Luis Foa Torres 的解釋，石墨烯沒有能帶隙（band gap）這個事實，正是它的罩門，那使得它難以被結合到電子裝置中。

"在半導體中，有種能量區域被稱為「能帶隙」，在那裡找不到電子態（electronic states），" 阿根廷 Cordoba，Cordoba 國立大學的 Foa Torres 表示。"有一說是那裡的載體密度（carrier density，載子密度）為零。如果你有一個連接二電極的裝置，沒有電子態，那麼流過它的電流可以變得非常小。零能隙的半導體，也稱為無能隙半導體，是種材料，在此電子態的密度在一單點上消失。這正是石墨烯的例子，在此， pi 與 pi* 能帶在一單點接觸，即所謂的迪拉克點（Dirac point，狄拉克點）。在實際狀況中，它們看起像是毫無能隙。"

"缺乏能帶隙意味著石墨烯無法被「關閉」，" 他解釋。"有「on」及「off」電流，可以把資訊編碼成運算所需的 1 與 0，而且對於切換器與電晶體這樣的主動電子裝置來說，是相當重要的。這也是為何「無能帶隙」是阻礙這種優異材料眾多應用的主要缺點之一。

在一項新研究中，Foa Torres 以及他的共同作者已經解決這個問題。藉由分析雷射場與石墨烯的電子的交互作用方式，研究者預測，以中紅外線雷射（mid-infrared laser）照射石墨烯能在它的電子結構中製造能帶隙。此外，研究者預測，控制雷射偏振，能調整能帶隙。一如 Foa Torres 的解釋，偏振光線如何在石墨烯中「打開」能帶隙的關鍵，涉及到電子與雷射場的互動。

"想像一個電子正在移動，比如從左到右，進入一個被雷射場照亮的區域，" 他說。"接下來發生的是，電子藉由吸收或發出光子與輻射產生交互作用。這種交互作用導致電子開始反射或背向散射（backscattered），猶如它擊中一面牆：能帶隙。相較於一般的能帶隙，這種是由雷射動態產生。"

藉由證明雷射場能被用來調整石墨烯的電子結構，這項研究有著根本影響與技術性應用。

"石墨烯特有電子結構與雷射之間的相互影響也許協助誘發物質的特異態，例如拓樸絕緣體（topological insulators），這種材料成堆時是絕緣體，不過在表面卻展現出強大的傳導性，" Foa Torres 說。"在另一方面，從應用觀點來看，我認為，這些雷射所誘發的能帶隙，能為新品種的光電裝置開闢一條途徑：能將光訊號轉換（transduce）成電氣訊號的裝置。"

對於 Foa Torres 等人來說，下一個關鍵步驟是實驗驗證。

"實驗驗證我們的發現，是我們計畫的主要驅力之一，" 他說。"「為能驗證它們的實驗者鋪路」的目標下，我們完成非常細微的參數調整，例如雷射頻率、振幅等等。在上個月，我們從美國與西班牙的頂尖實驗小組（他們對於我們的提議感到有興趣）那獲得非常珍貴的回饋。一如往常，在那成真之前，那裡當然有許多問題仍待解決，不過我們應該步步為營。門現在打開了，我們正踏入一個有前途的未知領域（terra incognita，unknown land 的拉丁語）。"

※ 相關報導：

＊ Tuning laser-induced band gaps in graphene
http://apl.aip.org/resource/1/applab/v98/i23/p232103_s1