莱斯大学的研究人员发现，石墨烯中的极小皱纹可以改变材料的电气行为。这些结果为挠曲电效应提供了实验证据，挠曲电效应是一种由于不均匀的弯曲导致材料产生电荷的现象。研究结果发表在《先进材料》上。这项工作指向了一种可能的新的方式来控制只有几原子厚的材料中的电流。科学家们可能能够通过简单地改变材料的形状来调节其电气特性，而不是通过添加化学物质或与其他物质结合来改变其性质。未来，这一策略可能有助于制造更灵敏的传感器和极薄的电子设备。“我们的工作表明，即使是普通皱纹，在原子尺度上观察时也可以成为非凡的电子特征，”研究的共同通讯作者、工程学的本杰明·M·和玛丽·格林伍德·安德森教授普利基尔·阿佳扬说。“通过证明单靠几何形状就可以重塑石墨烯的电气行为，我们开启了一条新的道路，设计可以通过结构而非化学来控制特性的材料。” 在原子尺度上考察石墨烯 石墨烯由单层碳原子组成。在这项研究中，研究人员专注于自然形成的皱纹。有些弯曲的部分被挤压到了小于十亿分之一米的区域。在这个尺度上，强烈的曲率可以导致电子稍微向石墨烯的一侧移动。“想象一下弯曲一个柔性的尺子，除了弯曲部分被压缩到小于十亿分之一米的空间，”前莱斯博士生、该研究的主要作者萨斯维克·阿贾伊·伊扬格说。“在这个尺度上，石墨烯中的电子稍微向一侧移动，形成两个相对的电极，就像一个小电池的两端。”为了研究这一效应，团队使用了特殊的显微镜探头来描绘皱纹的形状并测量局部电能和电流。研究人员还使用了拉曼光谱法，这是一种基于激光的方法，可以显示原子的拉伸或压缩。计算机模拟帮助预测弯曲如何影响电子的移动。通过比较高度弯曲的皱纹与附近平坦石墨烯区域，研究人员能够将由于曲率产生的电效应与其他可能的影响分开。“早期的研究通常考察较温和的弯曲或依赖外部压力，使这一微妙效应难以分离，”伊扬格说。“将锐利曲率的皱纹与平坦的石墨烯进行比较，使我们能够清晰地识别极端曲率的作用。” 尖锐皱纹产生强电效应 研究小组发现，石墨烯皱纹的行为有点像一排微小的电速坎。在它们的尖锐曲率顶端，皱纹改变了局部电能。一旦施加大约一伏的电压，研究人员就持续检测到电流。测量结果与计算机模型预测的结果非常接近。响应的强度与每个皱纹的尖锐程度更为密切相关，而不是它的高度。研究人员估计，所产生的极化强度比大型挠曲电系统的极化强度高出10万到1000万倍。极化是指材料内部正负电荷的分离。“皱纹的尖锐程度比其整体大小更为重要，”伊扬格说。“这告诉我们，通过精确控制纳米尺度的曲率，可以潜在地调节电气行为。” 2008年的预测得到实验支持 这一发现的起源可以追溯到2008年。当时，理论物理学家文森特·梅尼耶预测，锐度弯曲的石墨烯可能会重新排列其电子并产生电响应。梅尼耶现在是宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系的P.B.布伦南讲席教授，是本研究的共同通讯作者。然而，当首次作出这一预测时，测量仅宽几原子的弯曲效应是极具挑战性的。几年后，伊扬格重新审视了他与来自南安普顿大学的共同通讯作者马诺吉·特里帕希收集的数据。他注意到在锐利的石墨烯皱纹处出现了不寻常的电信号，并与梅尼耶分享了这一结果，梅尼耶曾共同指导他的博士研究。“当萨斯维克向我展示他和马诺吉收集的测量数据时，我们意识到这些不寻常的信号可能为多年前我们预测的想法提供了实验上的联系，”梅尼耶说。“将实验与原子尺度的计算相结合，使我们能够直接测试这一联系。” 朝着超薄电子学的新途径 这些发现