莱斯大学的图像显示石墨烯的结构如何影响电流

图片来源：马里奥·诺顿 · science.psu.edu

石墨烯极其薄的结构，只有一个原子厚，是新观察到的可能彻底改变电子学效应的关键。物理学家和工程师报告说，石墨烯中的微小点可以通过弯曲电改变其电特性，弯曲电是一种电偶极子以粗略方式扭曲的现象。

宾夕法尼亚州立大学 P. Breneman 主席兼教授 Vincent Menier 解释说，科学家有一天可能能够通过改变原子薄材料的形状来控制其电力，这可能会影响超薄传感器和设备。 “我的驱动力之一是试图找出有趣的想法来进行研究，这些想法在今天看来似乎无法实现，但在几年后可能会被使用，”莫尼耶说。

石墨烯中的挠曲电：预测电极化折叠

在石墨烯中观察到的挠曲电效应是由于材料的单原子厚度造成的；这种极端的薄度甚至会增加微小的结构扭曲的影响。研究人员发现，石墨烯内部的尖锐曲线充当电速的局部冲击，在施加约一伏的电压时产生电流。

根据发表在《先进材料》上的一项研究，这种响应并不取决于设备的高度，而是取决于其亮度，这允许在纳米尺度上调整电气行为。主要作者、现任加州大学伯克利分校的萨特维克·阿贾伊·艾扬格 (Satvik Ajay Iyengar) 解释说：“将急剧弯曲的器官与平坦的石墨烯进行比较，使我们能够清楚地定义急剧弯曲的作用。”这些石墨烯结构引起的电极化量是显着的；该团队估计其强度比传统柔性电系统强 10 万到 1000 万倍。

极化，即材料内电荷的分离，与石墨烯的曲率直接相关，这提出了一种通过物理形式而不是化学变化来控制电力的新方法。 “为了在实践中观察这种效应，你必须拥有非常干净的材料，这在预测时很难实现，”P. Breneman 主席兼教授 Vincent Menier 说。他补充说，制造技术的最新进展使这些观察成为可能。

对这些不寻常电信号的初步观察来自艾扬格和马诺吉·特里帕蒂（现在位于南达科他州缅因州）在早期实验中重复收集的数据。 “当萨特维克向我展示他和马诺伊收集的测量结果时，我们意识到这些不寻常的信号可以为我们多年前预测的想法提供实验联系，”莫尼耶说。

艾扬格通过将实验结果与计算机模型和数学计算进行比较，证实了这一发现，证实了近乎完美的相关性。他计算了四肢特定几何形状的预测效果，发现贴合度几乎完美。了解石墨烯的形状如何影响其电学行为，为科学家们设计未来技术提供了额外的工具。在纳米尺度上，电子稍微移动到急剧弯曲的器官的一侧，在微型电池中产生相反的电荷。

以前的挠曲电研究通常集中于较软的弯曲或依赖于外部压力，因此很难隔离效果；然而，这项研究重点关注极端曲率以获得更清晰的结果。 “了解它们如何影响电学行为，为科学家们提供了另一种利用材料自身结构设计未来技术的工具，”莫尼耶说。这种方法可能会导致更灵敏的传感器和超薄电子设备的开发，从而完全消除对掺杂或新材料的需求。

弯曲石墨烯电响应的实验研究

根据新研究证实了几十年前的理论预测，决定其电响应的是石墨烯弯曲的程度，而不是其整体尺寸。使用特殊的显微镜探针对石墨烯的形状、局部电能和电流进行了详细测量，从而可以直接比较材料的明显皱纹和平坦部分。

这一证实是由 Meunier 和现就职于田纳西大学的 Sergey V. Kalinin 在大约 20 年前预测的，证实石墨烯可以急剧弯曲以重新排列电子并产生电响应。 “在这个尺度上，石墨烯中的电子会稍微向一侧移动，产生两个相反的电流，就像微型电池的两端一样，”艾扬格在解释这种纳米级现象时说道。

他们发现斑点的清晰度比其高度的影响更大，这提出了一种通过精确操纵石墨烯的几何形状来控制电行为的方法。 “这告诉我们，我们可以通过仔细控制纳米尺度的曲率来调整电学行为，”莫尼耶补充道。制造技术的进步实现了这种效果，因为创建和测量如此微小绕组的能力以前是无法实现的。根据 Meunier 的说法，这些进展使团队能够在极小的横截面上应用和测试理论效果。

研究结果扩展到响应速度更快的传感器和超薄电子设备的开发，为通过化学掺杂或材料添加剂改变石墨烯电性能的传统方法提供了潜在的替代方案。艾扬格说：“想象一下弯曲一个灵活的仪表，只不过弯曲部分被压缩到小于十亿分之一米的空间中。”他描述了这种现象的规模，并为新设备设计开辟了可能性。