莱斯大学的图像显示石墨烯皱纹如何影响流动

图片来源：马里奥·诺顿 · science.psu.edu

石墨烯的超薄结构（只有一个原子厚）是新观察到的重新配置电子效应的关键。物理学家和工程师报告说，石墨烯中的微小皱纹可以通过弯曲电改变其电特性，弯曲电是一种不对称弯曲产生电偶极子的现象。

宾州州立大学 P. Breneman 主席兼教授文森特·莫尼耶 (Vincent Meunier) 解释说，有一天，科学家可能通过改变原子薄材料的形状来控制其电力，这可能会导致反应更快的传感器和超薄设备。 “我的驱动力之一是试图找出有趣的想法来探索，这些想法在今天看来似乎遥不可及，但几年后可能会得到应用，”莫尼耶说。

石墨烯中的挠曲电：预测起皱的电极化

在石墨烯中观察到的挠曲电效应取决于材料的单原子厚度；这种极端的稀疏增加了微小结构扭曲的影响。研究人员发现，石墨烯中急剧弯曲的皱纹充当局部电减速带，在施加大约一伏的电压时产生电流。

根据发表在《先进材料》上的一项研究，这种反应与皱纹的高度无关，而是与皱纹的清晰度有关，从而可以在纳米尺度上调整电行为。主要作者、现任加州大学伯克利分校的萨斯维克·阿贾伊·艾扬格 (Sathvik Ajay Iyengar) 解释说：“将弯曲的皱纹与平坦的石墨烯进行比较，清楚地确定了极端曲率的作用。”这些石墨烯皱纹产生的电极化量是显着的；该团队估计，它的强度将是大型传统柔性电系统的 100,000 至 1000 万倍。

极化，即材料中电荷的分离，与石墨烯的曲率直接相关，展示了一种通过物理形状而不是化学修饰来控制电力的新方法。 P. Breneman 主席兼教授文森特·莫尼耶 (Vincent Meunier) 表示：“为了实际观察到这种效应，你需要拥有超洁净的材料，而这在评估过程中很难实现。”他补充说，制造技术的最新进展使这些观察成为可能。

对这些不寻常的电信号的最初观察源于对艾扬格和马诺吉·特里帕蒂（现在在南达科他州矿山）在早期实验中收集的数据的重新审视。 “当萨特维克向我展示他和马诺伊收集的测量结果时，我们意识到不寻常的信号可以为我们多年前假设的想法提供实验联系，”莫尼耶说。

艾扬格通过将实验结果与计算机模型和数学计算进行比较，进一步验证了这一发现，证实了几乎完美的相关性。他计算了特定皱纹几何形状的预测效果，发现拟合几乎是准确的。了解石墨烯的形状如何影响其电学行为，为科学家提供了设计未来技术的额外工具。在纳米尺度上，电子以稍微弯曲的折叠方式转移到一侧，产生与微型电池类似的相反电荷。

以前对挠曲电的研究通常集中在轻微弯曲或依赖于外部压力，因此很难隔离效果；但这项研究主要针对极端曲率，以取得明确的结果。 “了解它们如何影响电行为为科学家提供了另一种工具，可以利用材料的结构来设计未来的技术，”莫尼耶说。这种方法可以带来响应速度更快的传感器和超薄电子设备的开发，从而完全不需要掺杂或新材料。

我的驱动力之一是尝试找出一些有趣的想法，这些想法今天可能无法实现，但几年后就可以应用。
Vincent Meunier，宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系主任、P. Breneman 主席兼教授

弯曲石墨烯电响应的实验验证

新的研究证实了几十年前的理论预测，即石墨烯弯曲的程度，而不是其整体尺寸，决定了其电响应。使用特殊的显微镜探针对石墨烯形状、局部电功率和电流进行了详细测量，从而可以直接比较材料的尖锐皱纹和平坦部分。

这一确认证实了 Meunier 和现就职于田纳西大学的 Sergey V. Kalinin 近 20 年前的预测，即急剧弯曲的石墨烯会重新排列电子并产生电响应。 “在这种规模下，石墨烯中的电子会稍微向一侧移动，形成两个相对的电侧，就像微型电池的两端一样，”艾扬格解释了这种纳米级现象。

他们发现皱纹的锐度比其高度更有效，这提出了一种通过精确操纵石墨烯几何形状来控制石墨烯电学行为的方法。 “这告诉我们，我们可以通过仔细控制纳米尺度的曲率来调整电学行为，”莫尼耶补充道。制造技术的进步实现了这种效果，因为创建和测量如此微小曲线的能力以前是无法实现的。根据 Meunier 的说法，这些进步使团队能够在非常小的弯曲处应用和测试理论效果。

其影响延伸到响应速度更快的传感器和超薄电子设备的开发，为通过化学掺杂或材料添加来改变石墨烯电性能的传统方法提供了潜在的替代方案。艾扬格描述道：“想象一下柔性尺子的弯曲，除非弯曲是在不到十亿分之一米内完成的。”他揭示了这种现象发生的规模，并为设计新颖的设备开辟了可能性。