石墨烯中电子的顺利航行以纳米分辨率测量类流体流动

威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家首次以纳米分辨率直接测量了石墨烯中类似流体的电子流。结果发表在今天的《科学》杂志上。

石墨烯是一种以蜂窝状排列的原子厚碳片，是一种特别纯的电导体，使其成为研究电阻极低的电子流的理想材料。在这里，研究人员有意在已知距离处添加杂质，并发现随着温度升高，电子流从气体状变为流体状。

“所有导电材料都含有阻碍电子流动的杂质和缺陷，从而导致电阻。从历史上看，人们采用低分辨率方法来识别电阻的来源，”威斯康星大学麦迪逊分校的物理学研究生 Zach Krebs 说，该研究的主要作者。“在这项研究中，我们对电荷如何在杂质周围流动进行成像，并实际看到该杂质如何阻挡电流并产生电阻，这是以前没有做过的事情来区分类气体和类流体的电子流。”

结果可用于开发新的低电阻材料，在这些材料中，电传输会更有效率。

该研究使用了一种称为扫描隧道电位法 (STP) 的技术和二维材料石墨烯。研究人员有意在石墨烯中引入障碍物，以受控的距离隔开，然后在石墨烯上施加电流。使用 STP，他们以纳米分辨率测量了石墨烯上所有点的电压，生成了电子流模式的二维图(更高的电压 = 更多的电子)。无论障碍物间距如何，在较高温度(77 开尔文)与较低温度(4 开尔文)下通过通道的电压降要低得多，表明更多电子通过(较低电阻)。

“我们对 [电压图] 进行了定量分析，发现在较高的温度下，通道中的电阻要低得多。电子流动得更自由，更像流体，”克雷布斯说。“石墨烯非常干净，我们迫使电子在与其他任何东西相互作用之前相互作用，这对于让它们表现得像流体至关重要。”

岩石与溪流的类比

在接近绝对零的温度下，石墨烯中的电子表现得像气体：它们向各个方向扩散，并且更有可能撞到障碍物而不是彼此相互作用。电阻较高，电子流动效率相对较低。

在更高的温度(77 K 或负 196 C)下，电子流的类似流体的行为意味着它们之间的相互作用比撞击障碍物更多，就像溪流中间两块岩石之间的水一样流动。就好像电子正在相互传递关于障碍物的信息并绕着岩石转移。电阻较低，电子流动效率更高。

前威斯康星大学麦迪逊分校研究生 Wyatt Behn 是这项研究的共同第一作者，该研究由物理学教授 Victor Brar 的小组进行。