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木虫 (著名写手)

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[交流] 研究前沿-----graphene_石墨薄片纳米材料可能有半金属行为

Nature 444, 347-349 (16 November 2006)
科学家已经预测到了被称为“半金属”的让人好奇的材料的存在：仅仅对于一半的自由电子(即那些在特定自旋方向上的电子)来说它们才是金属，而对于另一半电子(自旋方向相反)它们是绝缘材料。虽然关于半金属行为有一些实验证据，但科学家仍在努力寻找这种材料，它们有可能在自旋电子应用中有实际用途。Son等人利用“第一原理”计算预测，纳米尺度的带状Graphene(一种石墨薄片材料)会有半金属行为。当将均匀电场施加到这种纳米带上时(其“之”字形的边缘附着在电压接触点上)，这种性质就会出现。这项工作有可能为探索基于Graphene的“纳米自旋电子材料”开辟一条道路。（2006年11月16日nature文章）

两年前科学家第一次制造出二维碳结构石墨片(graphene)时，还无法想象它有如此多的功能。目前石墨片被看好的应用从晶体管一直到氢气储存。最近美国物理学家宣称这种材料可以只让单一自旋的电子在结构中传输，这个特性使得石墨片可以应用在自旋组件电路中，用来产生、制造或是侦测电子的自旋。

石墨片是碳原子组成的单一层状物，普通的石墨就是由许多石墨片堆栈而成。加州大学柏克莱分校的Steven Louie正在研究长条状的石墨片纳米带，它的电子占据态与非占据态被一个能隙所分隔，因而表现出半导体的特性。石墨片由于六角环键结的破坏而具有奇特的锯齿状边缘，且分立两侧的石墨带边缘具有不同的态密度，其中一侧占据态为自旋向上而非占据态为自旋向下，另一侧则相反。

Louie发现在锯齿边跨接一外加电场会移动能量水平，导致一侧的占据态与另一侧的非占据态之间的能隙消失，换言之，具有这种自旋的电子可以自由的传输，具有相反自旋的电子则不行。Louie指出，这种半金属的行为可以应用在新兴的自旋电子学中，在这个领域中，电子的自旋将如同电荷一样可以用来控制电流的运动。

根据Louie的说法，这个效应可以藉由改变石墨带的宽度来调变。在较宽的石墨带上，因为位于两侧的电子态重迭较少因此交互作用较弱，这表示与比窄石墨带相较，较小的电场就能关闭能隙。Louie发现一旦石墨带的宽度超过32个原子链，交互作用已经微不足道，这些电子能态亦无法保持相反的自旋。换句话说，窄石墨带需要大、更多的电场来达到半金属的转换。

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