http://phys.org/news/2014-04-physicists-crystal-graphene.html
April 30, 2014
一個由 Arizona 大學領導的物理學家團隊發現如何利用電場改變石墨烯（graphene，更為人所知的是鉛筆的筆心）結晶構造。這個是邁向將石墨烯用於微處理器中相當重要的一步，那將比目前以矽為基礎的技術更小、更快。
石墨烯由極薄的一層石墨（graphite）所構成：當你用鉛筆寫字，石墨烯薄片就會從鉛筆的石墨芯脫落且黏在紙上。如果置於高功率電子顯微鏡下，石墨烯將展現其由碳原子交叉連結而成的層狀結構，類似細鐵絲網（chicken wire，雞網、畜禽網）。
UA 的物理學家發現，當以一電場操縱時，這種材料的一部分會從表現出如金屬般的行為轉而變成表現出如半導體般的樣子。
石墨烯為世上最薄的材料，需有 30 萬層石墨烯薄片，其厚度才與人類頭髮，或一張紙相同。因為它在微電子裝置中的應用，科學家與工程師都對它感興趣，希望把我們從矽時代推向石墨烯時代。困難的地方在於控制電子在這種材料中的流動，這是使它在任何一種電路中運作的必要條件。
Brian LeRoy（UA 物理學副教授）等人已經排除朝此目標邁進的一大障礙，他們證明電場能控制三層石墨烯（trilayer graphene）的結晶構造。
絕大多數材料需要高溫、高壓或二者來改變其晶體構造，這也是為何石墨烯不會自發性地轉變成鑽石，反之亦然。
"光憑施加一電場就改變某種材料的晶體結構，這真的很罕見，" LeRoy 說。"這使得三層石墨烯成為一種非常獨特的系統，那能用來創造新奇的裝置。"
三層石墨烯能以二種獨特方式堆疊而成。這有類似在撞球三角框中堆疊一層層撞球，那些撞球代表一個個碳原子。
"當你堆疊二層撞球時，它們的「晶體結構」是固定的，因為上層的球一定會位在下層的球所構成的凹陷處，" Matthew Yankowitz 解釋，LeRoy 實驗室中的第三年博士生。他是這篇論文的第一作者，那出現在 Nature Materials 期刊中。"第三層球也許會以這種方式堆疊：直接堆在下層球上方，或是稍微位移一下，堆疊在下層球所形成的凹陷處。"
這二種堆疊配置能自然地存在於相同一片石墨烯上。這二個 domains（原子域）由一個明顯的邊界區隔，在此六邊形碳應變成能適應從某種堆疊模式到另一種堆疊模式的轉變（carbon hexagons are strained to accommodate the transition from one stacking pattern to the other）。
"由於 domain wall（域壁）二側不同的堆疊配置，一邊材料表現如同金屬，而另一邊則像半導體，" LeRoy 解釋。
以電場（由極尖銳的金屬 STM 尖端所施加）探測 domain wall 時，LeRoy 小組的研究者發現，他們能在這一片石墨烯中移動 domain wall 的位置。而且當他們移動 domain wall 時，三層石墨烯的晶體結構隨之改變。
"我們這個想法：在邊界的電子效應一定很有趣，而且邊界跟著我們到處跑，" LeRoy 說。"起先這讓我們感到沮喪，不過一旦我們了解發生了什麼事，那反而成為最有趣的效應。"
透過施加電場來移動邊界，現在是首度能以受控制的風格來改變石墨烯的晶體結構。 "現在我們有一個旋鈕，我們能將材料從金屬變成半導體（反之亦然），以控制電子的流動，" LeRoy 說。"那基本上賦予我們一個開啟、關閉的開關，那迄今未曾在石墨烯中實現。"
雖然在石墨烯能應用在工業級的技術性應用之前仍需要進行更多研究，研究者已經看見它能被使用的方式。
"如果你需要一個寬電極而非尖端，你可將這二種配置間的邊界移動到更遠的地方，那使得從石墨烯創造電晶體成為可能，" Yankowitz 說。
電晶體是一種電路的主要成份（staple），因為它們控制電子的流動。
與目前所用的矽電晶體不同，基於石墨烯的電晶體能非常地薄，使裝置更小，且由於電子移動的比矽的更快，因此裝置能有更快的運算速度。
此外，矽基電晶體被製造成二種類行：p 型與 n 型，而石墨烯則二種都能運作。這將使它們的製造更為廉價，應用也更多樣。
※ 相關報導：
＊ Electric field control of soliton motion and stacking in trilayer graphene
http://dx.doi.org/10.1038/nmat3965
Matthew Yankowitz, Joel I-Jan Wang, A. Glen Birdwell,＊ 研究闡明石墨烯--金屬間的交互作用
Yu-An Chen, K. Watanabe, T. Taniguchi,
Philippe Jacquod, Pablo San-Jose, Pablo Jarillo-Herrero,
Brian J. LeRoy.
Nature Materials (2014)
doi: 10.1038/nmat3965
＊ 科學家在三層石墨烯中偵測到不尋常的「準粒子」
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