专栏名称: 材料学网

材料界最具影响力的资源共享平台！发布基础知识、新闻资讯、科技服务、数值模拟、考研考博、论文写作、招聘信息、先进设备及产业应用等，服务于中国高校、企业及科研院所的发展，以及相应科研成果的推广、转让和咨询

这篇Science，开创一个领域，单篇引用超6万次！获得诺贝尔物理学奖

材料学网 · 公众号 · · 2024-10-31 20:01

正文

经典回顾！这篇Science，发现石墨烯，让无数科研人员有“饭”吃！

通过外加电压控制材料电子特性的能力，这是现代电子学的核心。电场效应在半导体器件中用于调节载流子浓度，从而改变电流。随着硅技术接近性能极限，研究者们不断寻找新型材料。将电场效应扩展到金属以开发全金属晶体管需要原子级金属膜，其在实践中面临挑战，因为电场在极短距离内被屏蔽，且金属的载流子浓度相对较大，使得金属膜在几纳米厚度下不稳定，目前尚未发现任何金属或半金属展现显著的电场效应。

针对此问题， 曼彻斯特大学 A. K. Geim 课题组 在一种少层石墨烯（FLG）的自然二维材料中观察到电场效应，FLG厚度为原子级，质量高，能够在亚微米距离内实现弹道电子传输，展现出强烈的双极电场效应，通过施加栅电压，可以诱导出浓度高达10¹³/cm²的电子和空穴，室温迁移率约为10,000 cm²/V·s 。此工作以“Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films”发表在2004年10月22日的《Science》上。如今走过20年，该论文被 下载超过11万次 ，目前该论文在Web of Science中显示， 引用超过6万次。

值得一提的是，起初，这篇文章投到Nature。第一次审稿被拒。作者修改了文章再次提交后，又被拒。有一个审稿人说，该论文“没有产生足够的对科学的推动”。Science的审稿人更加仁慈一些（或者更加知识渊博？），文章也改的更好了。回过头来看，Geim认为当时应该把文章投向一个档次略低的杂志，就可以不用那么劳心费时，虽然Geim认为自己的工作是突破性的。读者朋友如果有人最近投Science或Nature被拒了的话，也不要灰心，你们的文章也有可能是值得获诺贝尔奖的！ 2010年 A. K. Geim 获得诺贝尔物理学奖，距离石墨烯的发现，仅仅过去了6年。

传说中的手撕胶带，撕出石墨烯

该工作用 机械剥离法从高度有序的热解石墨小块中制备了石墨烯薄膜 ，直径和厚度分别高达10 μm和100μm的FLG薄膜。为研究其电子特性，FLG被加工成多端霍尔条器件，置于氧化硅基底上以施加栅电压Vg。研究了超过60个厚度小于10nm的器件，重点分析了仅含1-3层原子的FLG器件。所有FLG器件展现出相似的二维半金属电子特性，与较厚的多层石墨烯和三维石墨特性不同。

图1：石墨烯薄膜（A）3nm FLG光学图（B）3nm石墨烯片AFM（C）0.8nm/1.2nm/2.5nm单层石墨烯AFM（D）-（E）实验装置SEM和示意图

独特物理现象

FLG电阻率 ρ 随栅电压 Vg 的变化表现出明显的峰值，电导率在电阻率峰值两侧线性增加。在电阻率峰值对应的 Vg 下，霍尔系数 RH 显示出明显的符号反转，与半导体中的双极场效应相似，但没有与费米能级被固定在带隙内相关的零导电区。

栅电压引发的表面电荷密度 n 随着 Vg 变化，进而影响费米能级的位置。电场掺杂使得浅重叠的半金属转变为完全的电子或孔导体，并且在混合态下，电流由两种载流子共同传输。在零 Vg 的情况下，FLG 为孔金属，且电阻率峰值向大正 Vg 迁移。FLG 中载流子迁移率通过场效应和磁阻测量确定，范围为 3000至10000 cm²/V·s 。

图2：FLG中的场效应（A）不同温度下电阻率随栅电压变化（B）电导率随栅电压变化（C）霍尔系数与栅电压关系（D）载流子浓度与温度的关系

FLG纵向电阻率 ρxx 和霍尔电阻率 ρxy 中展示了明显的 Shubnikov–de Haas（ShdH）振荡。ShdH振荡仅依赖于垂直磁场分量，振荡频率 BF 与栅电压 Vg 之间呈线性关系，表明孔和电子的费米能级 ϵ _F 与其浓度 n 成正比，证明了 FLG 中载流子的二维特性 。ShdH 振荡仅占据了一个空间量子化的二维亚带，最高浓度可达3 x 10 ¹³ cm ^-2 。研究者还测定了 FLG 的带重叠 δϵ， 结果表明不同样品的 δϵ 在 4 - 20 meV 之间变化，可能与参与的石墨烯层数不同有关。

图3：（A）FLG中不同栅电压下的ShdH振荡（B）振荡频率与栅电压关系

二十周年之际，NS发文纪念

在两篇关于石墨烯的二十周年报道中，都提到了， 石墨烯的发现，推动了二维材料研究的新浪潮 ， 二维材料的前景可能最终超过石墨烯本身……

全文链接：
https://doi.org/10.1126/science.1102896

这篇Science，开创一个领域，单篇引用超6万次！获得诺贝尔物理学奖

正文

请到「今天看啥」查看全文