中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授喬振華課題組與南京大學(xué)教授繆峰、王伯根合作，在多層石墨烯的壓電效應(yīng)的研究方面取得新進(jìn)展，首次在實(shí)驗(yàn)上觀察到石墨烯材料體系中正的壓電效應(yīng)，并在理論上揭示了多層結(jié)構(gòu)內(nèi)層間相互作用對(duì)該效應(yīng)的顯著貢獻(xiàn)。研究成果于9月11日在線發(fā)表在《自然·通訊》上，喬振華課題組的博士研究生王科為共同第一作者。

石墨烯是單原子層的碳材料，于2004年由Geim和Novoselov首次以機(jī)械剝離法得到，并作為第一個(gè)真正的二維體系開(kāi)始了二維材料研究的時(shí)代。由于石墨烯非常優(yōu)越的力學(xué)、電學(xué)與磁學(xué)性質(zhì)，很快吸引了凝聚態(tài)物理領(lǐng)域很多物理學(xué)家的注意力。其中，石墨烯的優(yōu)異彈性使得力學(xué)方式成為一種有效的調(diào)控手段并取得一系列進(jìn)展，比如實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)觀測(cè)到應(yīng)力引起的高達(dá)300特斯拉的贗磁場(chǎng)。更多理論預(yù)言，如應(yīng)力導(dǎo)致的量子霍爾效應(yīng)、超導(dǎo)等，還有待更確定的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

另外，如何通過(guò)力學(xué)方法控制電子輸運(yùn)性質(zhì)也還需在理論和實(shí)驗(yàn)上做更深入的研究。以前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)單層石墨烯會(huì)實(shí)現(xiàn)負(fù)壓電效應(yīng)。喬振華與合作者發(fā)現(xiàn)，不同于單層石墨烯，雙層和多層石墨烯可以實(shí)現(xiàn)正壓電電導(dǎo)效應(yīng)。在外界應(yīng)力下，單層石墨烯中碳原子間距增大，近鄰躍遷能量變低，從而導(dǎo)致電子費(fèi)米速度變小，并進(jìn)一步引起電導(dǎo)降低，產(chǎn)生負(fù)的壓電效應(yīng)。然而，在多層石墨烯中外界應(yīng)力不僅拉長(zhǎng)面內(nèi)碳原子間距，同時(shí)減小了石墨烯的層間距，導(dǎo)致層間碳原子間躍遷能量增大，更重要的是由層間相互作用引入的格點(diǎn)位能的修正。

這種修正引起受壓區(qū)間內(nèi)費(fèi)米面變化，增加了導(dǎo)電通道，從而增強(qiáng)電導(dǎo)產(chǎn)生正壓電電導(dǎo)效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)和理論的結(jié)合很好地解釋了層間相互作用給出的這種違反直覺(jué)的物理現(xiàn)象。該研究不僅深入了對(duì)石墨烯體系的力學(xué)、電學(xué)性質(zhì)的理解，也有助于探討其在納米機(jī)電系統(tǒng)和柔性電子器件中的應(yīng)用。

上述研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院“百人計(jì)劃”、中組部“青年”、教育部“2011計(jì)劃”、安徽省自然科學(xué)基金等資助。