最近，加州大学河滨分校的研究人员利用电荷密度波调控二维材料中的电流，制备出首个由二维材料复合而成的在室温下工作的电压控制振荡器，这项新技术有望取代传统的硅基器件，应用到计算机、无线电通讯、可穿戴设备等各个领域。
Alexander Balandin（左）和Guanxiong Liu（右）在加州大学河滨分校的洁净间中制备电压控制振荡器。（图片来源：加州大学河滨分校）
石墨烯由单层的碳原子构成，具备极佳的导电性与导热性，是目前最具有应用前景的二维材料，有望在未来取代硅基晶体管。然而由于石墨烯不具有半导体特性，无法实现电子元件的开关作用，其应用受到了很大限制。
加州大学河滨分校（University of California，Riverside）与佐治亚大学（University of Georgia）的研究团队最近发现，通过将石墨烯与其他两种纳米材料进行复合，可以突破石墨烯在电子器件领域应用的这一瓶颈。
该研究团队最近在《自然 纳米技术》（Nature Nanotechnology）上发表了一篇题为《An Integrated Tantalum Sulfide - Boron Nitride - Graphene Oscillator: A Charge Density Wave Device Operating at Room Temperature》（由硫化钽-氮化硼-石墨烯复合而成的振荡器：一种在室温下工作的电荷密度波器件）的文章。在这篇文章中，研究人员将三种截然不同的二维纳米材料复合到一起，制备出简单、小巧、高速的电压控制振荡器（Voltage -Controlled Oscillator）。电压控制振荡器是一种振荡频率由输入电压控制的电子振荡器，该团队研发的电压控制振荡器是首个实现用电荷密度波调控二维材料电流的可用器件。
这项新技术有望在超小功率器件中替代传统硅基材料，应用到计算机、无线电通讯等各个领域。同时，这种新型器件还具有厚度小、柔性好的优点，适合于开发可穿戴技术。
首先，为了克服石墨烯不具有半导体特性的缺点，该研究团队尝试了另一种二维材料——二硫化钽（TaS2）。研究发现，在电压的诱导作用下，1T-TaS2的原子排列方式会发生改变，从而在室温下实现开关作用，满足实际应用的需求。
来自加州大学河滨分校伯恩斯工程学院（UCR’s Bourns College of Engineering）的电子与计算机工程主席讲席教授（UC presidential chair professor）Alexander Balandin领导了该研究团队的工作，他说：“许多电荷密度波材料都具有开关特性，但大多数仅在极低的温度下表现出这种特性。我们在研究中采用了特定晶型的TaS2材料，这种材料的电阻能在室温以上突变，表现出开关特性。这一点至关重要。”
为了保护TaS2免受环境损伤，研究人员在TaS2上复合了另一种二维材料——六方氮化硼（h-BN），h-BN可以避免TaS2氧化。然后，研究人员再将复合了h-BN的TaS2材料与石墨烯复合，获得了一种三层电压控制振荡器。在这一设计中，石墨烯相当于可调负载电阻，能通过改变电压来实现电流与振荡频率的精确控制。该电压控制振荡器可在无线电波中的兆赫兹波段工作，又因为该器件内的物理过程速度极快，其工作频率可一直延伸至太赫兹波段。
Balandin教授表示，这是首个由二维材料复合而成的在室温下工作的电压控制振荡器。他说：“目前，该复合体系还无法与硅相媲美，毕竟人类使用硅、改进硅的历史已长达50年之久。但相对于传统硅技术来讲，这项新技术有其独特之处。我们将三种不同的二维材料复合到一起，把这三种材料各自的优点都发挥了出来，制得的新型器件有望在小功率场合替代传统硅基器件。”
这项二维器件的设计克服了石墨烯材料没有禁带的缺点，打破了石墨烯至今未被应用于晶体管材料的限制。同时，该器件结构的另一优点在于，石墨烯极佳的热传导性能够有效提高器件的散热效率。Balandin教授领导的研究团队早在2008年就通过实验发现了石墨烯优异的热传导性能，并对其进行了理论解释。美国材料研究学会（Materials Research Society，MRS）曾授予Balandin教授2013年MRS奖章，以表彰这一创新工作。
Balandin团队也是首个将石墨烯作为散热材料复合到大功率晶体管与发光二极管中的团队。他本人补充说：“在之前应用中，石墨烯只是作为热传导材料来使用，其主要性能在于热导性。而在该器件中，我们不但利用了石墨烯的热导性，而且还发挥了它优异的电导性。”
翻译：王舟
审校：赵昌昊
二维材料三重奏，解锁石墨烯电子产业应用
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