石墨烯邊緣效應大解密：開啟科技新紀元

在一項突破性的研究中，科學家們發現雙層石墨烯透過「谷電子學」（valleytronics）技術，可能徹底改變資料處理的方式。這項研究揭示了電子傳輸如何高度依賴材料的邊緣狀態以及非區域性傳輸機制的存在，為電子裝置設計的進階研究和潛在突破鋪平了道路。

這項研究由韓國浦項科技大學（POSTECH）物理系的李吉鎬教授和博士生鄭賢宇主導，並與日本國家材料科學研究所（NIMS）的渡邊賢治博士和谷口隆志博士合作完成。研究成果發表在頂尖奈米科技期刊《Nano Letters》上。

雙層石墨烯由兩層石墨烯堆疊而成，具有透過外部電場調節其電子能帶隙的特殊能力。這項特性對於控制電子傳輸至關重要，也讓雙層石墨烯成為新興谷電子學領域的關鍵材料。谷電子學利用電子的「谷」——一種量子態，作為資料儲存單元，使資料處理比傳統電子學或自旋電子學更快、更高效。由於其可調節的能帶隙，雙層石墨烯被視為未來谷電子學研究和下一代電子裝置的基礎材料。

谷電子學中的一個核心概念是「谷霍爾效應」（Valley Hall Effect, VHE），它描述了電子流如何選擇性地透過材料中的離散能態（即「谷」）。這導致了一種稱為「非區域性電阻」的現象，即使沒有導電路徑，也能在沒有直接電流流動的區域測量到電阻。

儘管目前許多文獻將非區域性電阻視為谷霍爾效應的明確證據，但一些研究人員認為，裝置邊緣的雜質或外部因素（如製造過程）也可能產生觀察到的訊號，這使得關於谷霍爾效應起源的爭議仍未解決。

為了確定雙層石墨烯中非區域性電阻的確切來源，浦項科技大學與日本國家材料科學研究所的聯合研究團隊製造了一種雙閘極石墨烯裝置，能夠精確控制能帶隙。他們隨後比較了自然形成的石墨烯邊緣與使用反應性離子蝕刻（Reactive Ion Etching）人工處理的邊緣的電氣特性。

研究結果顯示，自然形成的邊緣的非區域性電阻符合理論預期，而經過蝕刻處理的邊緣則顯示出比理論值高出兩個數量級的非區域性電阻。這種差異表明，蝕刻過程引入了與谷霍爾效應無關的外來導電路徑，這也解釋了為什麼在之前的雙層石墨烯測量中觀察到能帶隙減小。

該論文的第一作者鄭賢宇表示：「蝕刻過程是裝置製造中的關鍵步驟，但對於其對非區域性傳輸的影響，尚未得到足夠的審視。我們的研究結果強調了重新審視這些問題的必要性，並為推動谷電子學裝置設計和開發提供了重要見解。」

這項研究得到了韓國國家研究基金會（NRF）、科學技術情報通訊部、資訊通訊技術規劃與評估研究所（IITP）、美國空軍科學研究辦公室（AFOSR）、基礎科學研究院（IBS）、三星科學技術基金會、三星電子株式會社、日本學術振興會（JSPS KAKENHI）以及世界頂尖國際研究中心計劃（WPI）的支援。

參考文獻：Jeong, H.-W., Jang, S., Park, S., Watanabe, K., Taniguchi, T., & Lee, G.-H. (2024). Edge Dependence of Nonlocal Transport in Gapped Bilayer Graphene. Nano Letters. DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c02660