将石墨烯与氮化硼分层产生的摩尔纹图案。来源：布法罗大学
摩尔纹随处可见。它们是通过分层两个相似但不相同的几何设计来创建的。一个常见的例子是，当通过第二个链式围栏查看一个链式围栏时，有时会出现这种模式。
十多年来，科学家们一直在试验将一片石墨烯放在两片氮化硼之间所产生的摩尔纹图案。由此产生的摩尔纹图案显示出诱人的效果，能够支持一系列惊人的电子行为，可以极大地改善用于为从计算机到汽车的一切提供动力的半导体芯片。
由布法罗大学研究人员领导并发表在 Nature Communications 上的一项新研究表明，石墨烯可以在这种情况下实现其承诺。
“我们最近的工作表明，这种石墨烯和氮化硼的特殊三明治结构可以产生适合新技术应用的特性，”UB电气工程系教授兼主席Jonathan Bird博士说。
石墨烯是由碳构成的，就像木炭和钻石一样。石墨烯的与众不同之处在于碳原子的组合方式：它们以六角形或蜂窝状连接。由此产生的材料是已知存在的最薄的材料，薄到科学家称之为二维材料。
石墨烯本身的导电性很好——事实上，它的导电性好到不能用于微电子技术。但是，将石墨烯夹在两层氮化硼(也具有六角形图案)之间，就会产生一种摩尔纹图案。这种模式的出现伴随着石墨烯性质的巨大变化，基本上将通常的导电材料转变为具有（类似半导体）特性的材料，更适合在先进的微电子学中使用。
这项研究确定了石墨烯中的摩尔纹图案如何适应于新型通信设备、激光器和发光二极管等技术应用。伯德说：“我们的工作证明了这种方法的可行性，表明我们正在研究的石墨烯/氮化硼夹层确实具有微电子学所需的有利特性。”
所讨论的半导体芯片不仅在智能手机和医疗设备中必不可少，而且在洗碗机、吸尘器和家庭安全系统等智能家居设备中也是必不可少的。“现代技术依赖于构成其系统核心并控制其运行的半导体芯片，”伯德说。“当你对着手机说话时，芯片将你的声音转换为电子信号并将其传输到信号塔。”
石墨烯/氮化硼异质结构似乎具有适合工程的特性。基于这些材料开发未来技术可能取决于发现和利用能够实现更高速度和功能的特性。伯德指出，在发现、对发现的兴奋和实现发现的承诺之间通常存在滞后。石墨烯是一种非常常见的物质，在任何用铅笔潦草写的纸条上都能看到它，但直到2004年才被发现。
伯德获得了物理学博士学位，但他被电气工程所吸引，因为它允许他通过研究半导体来探索量子物理学。他解释说，量子物理学——“在原子尺度上发生的那种神奇的物理学”——可以通过使用在原子水平上探索材料和过程的技术的实验来观察。
“我们可以让一个系统对我们采取的行动做出反应，这种反应反映了系统的原子和量子性质的细节，”他说。石墨烯引起了他的注意，因为它似乎是通过半导体研究量子效应的一种方式。在UB建立了一个名为NoMaD的实验室，在那里他，他的同事和他们的学生研究“纳米级发生的量子现象”。毕业生继续在英特尔和IBM以及其他大学工作。
在这项研究中，伯德和他的团队在一定范围内探索了石墨烯的特性，这是创造新技术必须达到的。半导体芯片行业是一个不断发展的巨大行业，需要新材料、使用现有材料的新方法以及能够同时开发两者的新劳动力。
文献信息：
Jubin Nathawat et al, Signatures of hot carriers and hot phonons in the re-entrant metallic and semiconducting states of Moiré-gapped graphene, Nature Communications (2023).
DOI: 10.1038/s41467-023-37292-4
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