研究人員已經證明，雙層石墨烯既可以作為超導體，也可以作為絕緣體，這項特性可能會徹底改變電晶體技術。這種雙重功能使得開發高能效的奈米級電晶體成為可能。哥廷根大學領導的國際研究小組透過實驗證明，自然形成的雙層石墨烯中的電子像沒有質量的粒子一樣運動，與光的運動方式相同。

藝術家繪製的天然雙層石墨烯中的移動電荷。資料來源：Lukas Kroll

此外，他們還證明，電流可以”開關”，這為開發微小、節能的晶體管提供了可能–就像家裡的電燈開關，但卻是奈米級的。美國麻省理工學院（MIT）和日本國立材料科學研究所（NIMS）也參與了這項研究。研究成果發表在科學期刊《自然通訊》。

安娜-塞勒博士。圖片來源：Christian Eckel

石墨烯的特性與挑戰

石墨烯於2004 年被發現，是由單層碳原子組成的。石墨烯具有許多不尋常的特性，其中最著名的是其超高的導電性，這是因為電子在這種材料中以高速、恆定的速度穿行。這項獨特的特性讓科學家們夢想著利用石墨烯製造速度更快、能效更高的電晶體。

所面臨的挑戰是，要製造出晶體管，需要控製材料在高導電狀態之外還具有高絕緣狀態。然而，在石墨烯中，載流子速度的這種”切換”並不容易實現。事實上，石墨烯通常沒有絕緣狀態，這限制了石墨烯作為電晶體的潛力。

石墨烯電晶體研究取得突破性進展

哥廷根大學的研究團隊現在發現，自然形成的雙層石墨烯中的兩層石墨烯結合了兩方面的優點：除了絕緣狀態外，這種結構還能支持電子像光一樣以驚人的速度運動，就像它們沒有品質一樣。

研究人員發現，透過施加垂直於材料的電場，可以改變這種狀況，使雙層石墨烯成為絕緣體。

湯瑪斯-韋茨教授。資料來源：T Weitz

快速移動電子的這一特性早在2009 年就已在理論上得到預測，但由於NIMS 提供的材料以及與麻省理工學院在理論方面的密切合作，樣品質量顯著提高，才有可能在實驗中發現這一特性。雖然這些實驗是在低溫條件下進行的–低於冰點約273°–但它們顯示了雙層石墨烯製造高效電晶體的潛力。

“我們早就知道這個理論。但是，現在我們已經進行了實驗，實際上顯示了電子在雙層石墨烯中類似光的分散。對於整個團隊來說，這是一個非常激動人心的時刻，”哥廷根大學物理系的托馬斯-韋茨教授說。

哥廷根大學博士後研究員、第一作者Anna Seiler 博士補充說：”我們的工作只是邁出了關鍵的第一步。研究人員下一步將研究雙層石墨烯是否真的能改善晶體管，或者研究這種效應在其他技術領域的潛力。

編譯來源：ScitechDaily