美德法研究團隊發現，石墨烯奈米帶中的電子能行進超過10 μm而不被散射，此距離遠遠超過理論預測。更令人驚訝的是，當奈米帶的長度超過16 μm時，材料電阻值會大幅躍升。此結果意味著石墨烯中可能存在著未知的電子傳輸機制。 石墨烯為具六角晶格結構的2D平面碳材料，屬零能隙的半金屬。理論上，石墨烯有絕佳的導電率，這是因為材料中的電子能以接近光速運行，但實際上缺陷的存在會使電子行進約10 nm便發生散射，導致電阻的增加。改善的方法之一是採用磊晶石墨烯來製作元件，可有效降低缺陷的影響。 最近，以美國喬治亞理工學院(GIT)的Walt de Heer為首的美德法研究團隊以磊晶石墨烯製作出寬僅40 nm純淨奈米帶，並證實材料中的電子能在奈米帶邊緣行進而不發生散射。此行為類似光纖中的光子，或是槍枝發射出的子彈，因此這類電子被稱為「彈道電子」(ballistic electron)，以便跟一般導體中經歷大量散射的電子做區別。 為了製作此純淨奈米帶，研究人員先在碳化矽晶圓上產生溝渠，接著升溫至超過1000°C，這會蒸發表面附近的矽原子，而碳原子則會移動到溝渠的傾斜壁，並沿著溝渠形成奈米帶。他們使用四點探針法量測奈米帶電性並確認其彈道傳輸特性。當探針接觸奈米帶時，彈道電子與探針的碰撞會導致奈米帶電阻大幅上升。相較之下，一般傳導電子早已經歷多次碰撞，因此探針的觸碰對電阻影響不大。當第二根探針的接觸使石墨烯奈米帶的電阻再度劇烈增加時，研究人員便能確定奈米帶的電流是由彈道電子傳輸。 描述彈道傳輸性質的重要參數為平均自由徑(mean free path)，它是指電子相鄰兩次碰撞間前進的平均距離，平均自由徑越長，代表電阻越小。研究人員測量不同長度(1–5 μm)的奈米帶電阻，並利用外推法得到彈道電子的平均自由徑約為100 μm。然而，當他們測量較長的樣品時，卻發現當奈米帶長度超過16 μm，電阻便會快速上升，意即實際平均自由徑遠小於外推法估算之值。 儘管電阻上升的原因不明，De Heer猜測這可能與彈道電荷載子的基本性質有關：他認為這類電荷載子可能屬於生命期有限的準粒子。該研究團隊下一步計畫探討石墨烯中的電荷究竟如何傳輸。他們已為此製作一特殊奈米帶，其中的電流會被分成兩條路徑後再結合。透過研究此元件中的量子干涉現象，他們期望能獲得石墨烯中電荷載子的重要性質，進一步驗證是否確實為準粒子。詳見近期的Nature (2014)｜doi:10.1038/nature12952。 |