研究人员已经证明，双层石墨烯既可以作为超导体，也可以作为绝缘体，这一特性可能会彻底改变晶体管技术。这种双重功能使得开发高能效的纳米级晶体管成为可能。哥廷根大学领导的一个国际研究小组通过实验证明，自然形成的双层石墨烯中的电子像没有质量的粒子一样运动，与光的运动方式相同。

艺术家绘制的天然双层石墨烯中的移动电荷。资料来源：Lukas Kroll

此外，他们还证明，电流可以"开关"，这为开发微小、节能的晶体管提供了可能--就像家里的电灯开关，但却是纳米级的。美国麻省理工学院（MIT）和日本国立材料科学研究所（NIMS）也参与了这项研究。研究成果发表在科学杂志《自然通讯》上。

安娜-塞勒博士。图片来源：Christian Eckel

石墨烯的特性与挑战

石墨烯于 2004 年被发现，是由单层碳原子组成的。石墨烯具有许多不寻常的特性，其中最著名的是其超高的导电性，这是因为电子在这种材料中以高速、恒定的速度穿行。这一独特的特性让科学家们梦想着利用石墨烯制造速度更快、能效更高的晶体管。

所面临的挑战是，要制造出晶体管，需要控制材料在高导电状态之外还具有高绝缘状态。然而，在石墨烯中，载流子速度的这种"切换"并不容易实现。事实上，石墨烯通常没有绝缘状态，这限制了石墨烯作为晶体管的潜力。

石墨烯晶体管研究取得突破性进展

哥廷根大学的研究小组现在发现，自然形成的双层石墨烯中的两层石墨烯结合了两方面的优点：除了绝缘状态外，这种结构还能支持电子像光一样以惊人的速度运动，就像它们没有质量一样。

研究人员发现，通过施加垂直于材料的电场，可以改变这种状况，使双层石墨烯成为绝缘体。

托马斯-韦茨教授。资料来源：T Weitz

快速移动电子的这一特性早在 2009 年就已在理论上得到预测，但由于 NIMS 提供的材料以及与麻省理工学院在理论方面的密切合作，样品质量显著提高，才有可能在实验中发现这一特性。虽然这些实验是在低温条件下进行的--低于冰点约 273°--但它们显示了双层石墨烯制造高效晶体管的潜力。

"我们早就知道这个理论。但是，现在我们已经进行了实验，实际显示了电子在双层石墨烯中类似光的分散。对于整个团队来说，这是一个非常激动人心的时刻，"哥廷根大学物理系的托马斯-韦茨教授说。

哥廷根大学博士后研究员、第一作者 Anna Seiler 博士补充说："我们的工作只是迈出了关键的第一步。研究人员下一步将研究双层石墨烯是否真的能改善晶体管，或者研究这种效应在其他技术领域的潜力。"

编译来源：ScitechDaily