电子间相互作用是石墨烯具备超性能的关键

作为一种超薄、超强、超柔和超高速的导电体，石墨烯已被电子领域视为具有广泛应用的神奇材料。但要想充分发挥石墨烯的巨大潜力，科学家们首先必须了解石墨烯的超能力从何而来。据物理学家组织网8月3日(北京时间)报道，美国科学家已经朝这个方向迈出了最新一步：他们的研究首次证实，石墨烯中电子间的相互作用是石墨烯具有非凡性能的关键。相关论文已发表于《自然·物理学》杂志。

电子在石墨烯中能以接近光速的速度行进，是硅材料中电子移动速度的100倍。由于石墨烯中的电子表现得与没有质量的极端相对论性自由电子一样，而科学家保罗·狄拉克在1928年用狄拉克方程描述了相对论性的电子行为，因此石墨烯中的电荷载体也被称为“狄拉克准粒子”，也就是无质量的狄拉克费米子。领导该研究的美国加州大学伯克利分校物理学家迈克尔·克罗米说：“石墨烯中的电子对带电杂质制造的库仑势作出的回应与传统的原子—杂质系统中非相对论性电子的表现应该极为不同。然而，直到现在，与这种极端相对论性系统有关的许多关键理论预言都还没有得到检验。”

而他带领的研究小组首次在显微尺度上观测并记录了一个门控石墨烯设备中电子和空穴是如何对库伦势作出回应的，从而为“电子间相互作用是石墨烯非凡性能的关键”的理论提供了实验支撑。他们先在最常见的半导体基底二氧化硅衬底上放置氮化硼薄片，然后在薄片上沉积一个石墨烯层，由此制成一个门控设备，并利用超高真空扫描隧道显微镜(STM)对门控设备进行探测。同时，他们用显微镜的尖端自动操纵钴单体在石墨烯片上构建出钴三聚体来作为制造库伦势的带电杂质。

超高真空扫描隧道显微镜通过记录石墨烯电子结构的空间变化，展示了电子和空穴对库伦势作出的回应。将实验中观测到的电子—空穴不对称与理论模拟相比较，研究小组不仅能够验证相关的理论预测，而且还发现石墨烯的介电常数足够小，而这正是电子间相互作用决定了石墨烯非凡性能的佐证，并且对于理解石墨烯中的电子如何移动非常重要。

“有些研究人员认为，电子与电子的相互作用对石墨烯的内在性能而言并不重要，但另一些专家的观点相反。我们首次用图像展示了极端相对论性电子如何通过重新排列自己来对库仑势作出回应，证明了电子间相互作用是决定石墨烯性能的一个重要因素。”克罗米说。