多層石墨烯壓電效應研究取得新進展

　　中國科大合肥微尺度物質科學國家實驗室與物理學院喬振華教授與南京大學繆峰教授、王伯根教授合作，在多層石墨烯的壓電效應的研究方面取得重要進展，首次在實驗上觀察到石墨烯材料體系中正的壓電效應，并在理論上揭示了多層結構內層間相互作用對該效應的顯著貢獻。研究成果以“The positive piezoconductive effect in graphene”為題于9月11日在線發表在《自然·通訊》（Nature Communications）上，喬振華研究組的博士研究生王科為共同第一作者。

　　石墨烯是單原子層的碳材料，于2004年由Geim和Novoselov首次以機械剝離法得到，并作為第一個真正的二維體系開始了二維材料研究的時代。由于石墨烯非常優越的力學、電學與磁學性質，很快吸引了凝聚態物理領域很多物理學家的注意力。其中，石墨烯的優異彈性使得力學方式成為一種有效的調控手段并取得一系列進展，比如實驗上已經觀測到應力引起的高達300特斯拉的贗磁場。更多理論預言，如應力導致的量子霍爾效應、超導等，還有待更確定的實驗驗證。另外，如何通過力學方法控制電子輸運性質也還需在理論和實驗上做更深入的研究。以前的研究已經發現單層石墨烯會實現負壓電效應。喬振華教授與南大合作者發現，不同于單層石墨烯，雙層和多層石墨烯可以實現正壓電電導效應。在外界應力下，單層石墨烯中碳原子間距增大，近鄰躍遷能量變低，從而導致電子費米速度變小，并進一步引起電導降低，產生負的壓電效應。然而，在多層石墨烯中外界應力不僅拉長面內碳原子間距，同時減小了石墨烯的層間距，導致層間碳原子間躍遷能量增大，更重要是由層間相互作用引入的格點位能的修正。這種修正引起受壓區間內費米面變化，增加了導電通道，從而增強電導產生正壓電電導效應。實驗和理論的結合很好地解釋了層間相互作用給出的這種違反直覺的物理現象。該研究不僅深入了對石墨烯體系的力學、電學性質的理解，也有助于探討其在納米機電系統和柔性電子器件中的應用。

　　相關研究得到國家自然科學基金、中科院“百人計劃”、中組部“青年千人計劃”、教育部“2011計劃”、安徽省自然科學基金等資助。中國科大超級計算中心對本工作的完成也給予了至關重要的支持。