经典回顾！这篇Science，发现石墨烯，让无数科研人员有“饭”吃！
通过外加电压控制材料电子特性的能力，这是现代电子学的核心。电场效应在半导体器件中用于调节载流子浓度，从而改变电流。随着硅技术接近性能极限，研究者们不断寻找新型材料。将电场效应扩展到金属以开发全金属晶体管需要原子级金属膜，其在实践中面临挑战，因为电场在极短距离内被屏蔽，且金属的载流子浓度相对较大，使得金属膜在几纳米厚度下不稳定，目前尚未发现任何金属或半金属展现显著的电场效应。
针对此问题，曼彻斯特大学A. K. Geim课题组在一种少层石墨烯（FLG）的自然二维材料中观察到电场效应，FLG厚度为原子级，质量高，能够在亚微米距离内实现弹道电子传输，展现出强烈的双极电场效应，通过施加栅电压，可以诱导出浓度高达10¹³/cm²的电子和空穴，室温迁移率约为10,000 cm²/V·s。此工作以“Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films”发表在2004年10月22日的《Science》上。如今走过20年，该论文被下载超过11万次，目前该论文在Web of Science中显示，引用超过6万次。
值得一提的是，起初，这篇文章投到Nature。第一次审稿被拒。作者修改了文章再次提交后，又被拒。有一个审稿人说，该论文“没有产生足够的对科学的推动”。Science的审稿人更加仁慈一些（或者更加知识渊博？），文章也改的更好了。回过头来看，Geim认为当时应该把文章投向一个档次略低的杂志，就可以不用那么劳心费时，虽然Geim认为自己的工作是突破性的。读者朋友如果有人最近投Science或Nature被拒了的话，也不要灰心，你们的文章也有可能是值得获诺贝尔奖的！2010年A. K. Geim获得诺贝尔物理学奖，距离石墨烯的发现，仅仅过去了6年。
该工作用机械剥离法从高度有序的热解石墨小块中制备了石墨烯薄膜，直径和厚度分别高达10 μm和100μm的FLG薄膜。为研究其电子特性，FLG被加工成多端霍尔条器件，置于氧化硅基底上以施加栅电压Vg。研究了超过60个厚度小于10nm的器件，重点分析了仅含1-3层原子的FLG器件。所有FLG器件展现出相似的二维半金属电子特性，与较厚的多层石墨烯和三维石墨特性不同。
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图1：石墨烯薄膜 （A）3nm FLG光学图（B）3nm石墨烯片AFM（C）0.8nm/1.2nm/2.5nm单层石墨烯AFM（D）-（E）实验装置SEM和示意图
FLG电阻率 ρ 随栅电压 Vg 的变化表现出明显的峰值，电导率在电阻率峰值两侧线性增加。在电阻率峰值对应的 Vg 下，霍尔系数 RH 显示出明显的符号反转，与半导体中的双极场效应相似，但没有与费米能级被固定在带隙内相关的零导电区。栅电压引发的表面电荷密度 n 随着 Vg 变化，进而影响费米能级的位置。电场掺杂使得浅重叠的半金属转变为完全的电子或孔导体，并且在混合态下，电流由两种载流子共同传输。在零 Vg 的情况下，FLG 为孔金属，且电阻率峰值向大正 Vg 迁移。FLG 中载流子迁移率通过场效应和磁阻测量确定，范围为3000至10000 cm²/V·s。![]()
图2：FLG中的场效应（A）不同温度下电阻率随栅电压变化（B）电导率随栅电压变化（C）霍尔系数与栅电压关系（D）载流子浓度与温度的关系
FLG纵向电阻率 ρxx 和霍尔电阻率 ρxy 中展示了明显的 Shubnikov–de Haas（ShdH）振荡。ShdH振荡仅依赖于垂直磁场分量，振荡频率 BF 与栅电压 Vg 之间呈线性关系，表明孔和电子的费米能级 ϵF 与其浓度 n 成正比，证明了 FLG 中载流子的二维特性。ShdH 振荡仅占据了一个空间量子化的二维亚带，最高浓度可达3 x 1013 cm-2。研究者还测定了 FLG 的带重叠 δϵ，结果表明不同样品的 δϵ 在 4 - 20 meV 之间变化，可能与参与的石墨烯层数不同有关。![]()
图3：（A）FLG中不同栅电压下的ShdH振荡（B）振荡频率与栅电压关系
二十周年之际，NS发文纪念
在两篇关于石墨烯的二十周年报道中，都提到了，石墨烯的发现，推动了二维材料研究的新浪潮，二维材料的前景可能最终超过石墨烯本身……
全文链接：https://doi.org/10.1126/science.1102896
来源：高分子科学前沿
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