美國賓夕法尼亞州立大學(xué)材料研究所研究出由雙層石墨烯組成的器件，經(jīng)實驗驗證具有控制電子動量的能力，以及提供了一個電子行進(jìn)的通路，該通路所需功耗更低、產(chǎn)生的熱量也低于標(biāo)準(zhǔn)CMOS晶體管，向“能谷電子學(xué)”（valleytronics）領(lǐng)域邁進(jìn)了一步。

圖 新型二維石墨烯組成的器件

該研究的指導(dǎo)專家、美國賓夕法尼亞州立大學(xué)材料研究所的物理學(xué)副教授Jun Zhu說：“目前硅基晶體管器件依賴于電子的電荷特性來實現(xiàn)器件的開和關(guān)，而很多實驗室已在尋求基于電子其他自由度的新方式來操控電子。電荷是自由度的一種，自旋是另一種(基于自旋的晶體管叫自旋電子學(xué)，目前仍處于研發(fā)階段),第三種是電子的谷自由度（基于電子能量與動量的相關(guān)性）” 。

此次新研制出的器件由Jun Zhu的博士學(xué)生Jing Li研制，首先將柵極置于雙層石墨烯薄片的上和下，然后加入垂直于該平面的電場。Li解釋說：“通過在兩邊分別加入正向和反向電壓，在雙層石墨烯中打開了一個通常不會有的帶隙，我們將該設(shè)置為大約70納米寬?！?/span>

然后在該帶隙中置入一維金屬態(tài)或稱通路，該通路對于電子而言是經(jīng)過顏色編碼的高速公路，即將電子想象為一輛汽車，具有不同谷態(tài)的電子分別想象為藍(lán)色汽車和紅色汽車。在單獨的雙層石墨烯薄片中，紅色和藍(lán)色電子可向任何方向移動。而在新型器件中，則朝向相反的方向運動。

圖為該實驗所用器件的掃描電子顯微圖像。黑色層是雙層石墨烯薄片，底部分開的柵（暗色區(qū)域）由多層石墨烯組成，頂部分開的柵（金色條）由金組成，一維通路位于由分開的柵極產(chǎn)生的帶隙中。

圖為石墨烯薄片中不同谷態(tài)的電子向相反方向行進(jìn)

理論上，電子能夠在通路中不受阻礙的行進(jìn)一段長距離，通路的電阻非常小，即意味著電子器件功耗更低、產(chǎn)生的熱量更小，而功耗和熱管理正是目前小型化器件面臨的挑戰(zhàn)。

Zhu說：“在一個絕緣的雙層石墨烯薄片的內(nèi)部僅使用幾個柵極就能夠產(chǎn)生出這樣的能態(tài)，令人印象深刻。

Zhu說：“盡管目前不是完全沒有電阻，我們正在做更多的實驗來了解電阻的來源。我們也在嘗試制造能夠根據(jù)電子顏色對電子流進(jìn)行控制的閥門?！?/span>

Li說：“我們的實驗結(jié)果顯示能夠制造出金屬通路，但距真正實現(xiàn)應(yīng)用還有很長的路要走?！?/span>

包括美國海軍研究辦公室、美國國家科學(xué)基金會、中國和日本的相關(guān)資金支持機構(gòu)。