在一项开创性的研究中，研究人员发现了双层石墨烯如何通过谷电子学彻底改变数据处理方式，揭示了电子传输在很大程度上依赖于材料边缘的状态和非局域传输机制的存在。

他们的发现为开展尖端研究及电子设备设计领域的潜在突破铺平了道路。

石墨烯中的电子传输

近期一项研究表明，双层石墨烯中的电子传输受到边缘态和一种独特的非局域传输机制的强烈影响。该研究由浦项科技大学（POSTECH）物理系的吉尔-霍·李（Gil-Ho Lee）教授和博士生玄宇·郑（Hyeon-Woo Jeong）主导，并与日本国家材料科学研究所（NIMS）的肯吉·渡边（Kenji Watanabe）博士和高桥·谷口（Takashi Taniguchi）博士合作完成。他们的研究成果已发表在纳米技术领域的顶级期刊《纳米快报》（Nano Letters）上。

双层石墨烯与谷电子学

双层石墨烯由两层堆叠的石墨烯组成，具有通过外加电场调节其电子带隙的特殊能力。这一特性对于控制电子传输至关重要，并使双层石墨烯成为新兴领域——谷电子学中的关键材料。

谷电子学利用了电子的“谷态”，这是一种作为数据存储单元的量子态，其数据处理速度比传统电子学或自旋电子学更快、效率更高。由于具有可调谐带隙，双层石墨烯被认为是未来谷电子学研究和下一代电子设备研究的基本构建模块。

非局域电阻与谷电子学争论

谷电子学中的一个核心概念是“谷霍尔效应（Valley Hall Effect，VHE）”，该效应描述了电子流如何在给定材料内被称为“谷”的离散能态中被选择性地引导。因此，出现了一种被称为“非局域电阻”的显著现象，在没有直接电流流动的区域（甚至在缺少传导路径的情况下）也会引入可测量的电阻。

虽然当前许多文献将非局域电阻视为谷霍尔效应（Valley Hall Effect，VHE）的确凿证据，但一些研究人员认为，器件边缘的杂质或外部因素（如制造工艺）也可能产生所观察到的信号，因此关于VHE起源的争论仍未解决。

器件制造对电子传输的影响

为了确定双层石墨烯中非局域电阻的确切来源，POSCO-NIMS联合研究团队制造了一种双栅极石墨烯器件，从而实现了对带隙的精确控制。他们随后比较了原始石墨烯边缘（自然形成）与采用反应离子蚀刻进行人工处理后的石墨烯边缘的电学特性。

研究结果表明，自然形成的边缘的非局域电阻符合理论预期，而经过蚀刻处理的边缘所表现出的非局域电阻则超出这些预期值两个数量级。这一差异表明，蚀刻工艺引入了与谷霍尔效应无关的外来导电通道，从而解释了为什么在之前的双层石墨烯测量中会观察到带隙减小。

“蚀刻工艺是器件制造中的一个关键步骤，但尚未得到足够的研究，尤其是在其对非局域传输的影响方面，”论文第一作者Hyeon-Woo Jeong评论道。“我们的研究结果强调了重新考虑这些因素的必要性，并为推进谷电子器件的设计和开发提供了至关重要的见解。”

参考文献：Hyeon-Woo Jeong、Seong Jang、Sein Park、Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi和Gil-Ho Lee于2024年12月9日在《纳米快报》上发表的“带隙双层石墨烯中非局域传输的边缘依赖性”。DOI：10.1021/acs.nanolett.4c02660

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）、韩国科学技术信息通信部、韩国信息通信技术规划评估研究院（IITP）、美国空军科学研究办公室（AFOSR）、韩国基础科学研究所（IBS）、三星科学技术基金会、三星电子有限公司、日本学术振兴会（JSPS KAKENHI）以及世界顶尖国际研究中心倡议组织（WPI）的支持。