賴斯大學(xué)的研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)螺旋狀石墨烯納米線圈能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，并可被用作納米級(jí)電磁線圈。

據(jù)賴斯大學(xué)研究人員說(shuō)，石墨烯制成的納米線圈可作為電子應(yīng)用有效的電磁線圈感應(yīng)器。(圖片來(lái)源:萊斯大學(xué)Yakobson研究小組)

電子元件小型化領(lǐng)域已有了重大進(jìn)步。然而，相比之下，螺線管仍然太大。賴斯大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種制備納米級(jí)螺線管的方法，并在宏觀尺度上證明了它的性能。

縮小螺線管尺寸的關(guān)鍵是存在于自然界的原子層厚螺旋狀石墨烯。

“通常，我們確定認(rèn)為可能具備某種特性的材料，但這一次我們關(guān)注已經(jīng)存在形態(tài)，”賴斯理論物理學(xué)家Boris Yakobson說(shuō)。“這些螺旋，或稱螺型位錯(cuò)，在石墨生長(zhǎng)時(shí)自然地形成，甚至在普通煤炭中。”

Yakobson是材料科學(xué)和納米工程Karl F. Hasselmann教授兼萊斯大學(xué)化學(xué)教授。

與宏觀電磁線圈感應(yīng)器相同，施加電壓會(huì)使電流流動(dòng)，電流在螺旋路徑上流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。

“可以把這個(gè)結(jié)構(gòu)比作電子的高層停車場(chǎng)，但沒(méi)有停車位，所以電子只能穿過(guò)，”Yakobson說(shuō)。“或者你可以說(shuō)它類似阿基米德螺旋，旋轉(zhuǎn)把水輸送到高處，但充滿的不是水而是電子。

“也許在這里可能是反向運(yùn)行：通過(guò)外加電壓輸送的電子電流，在一定條件下可能會(huì)導(dǎo)致石墨烯螺旋自旋，就像一個(gè)快速小型的電渦輪機(jī)，”他說(shuō)。

螺線管是一種由纏繞在金屬核心上的電線制成的電磁體。當(dāng)承載電流時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，它們被轉(zhuǎn)換成電磁鐵。螺線管通常被應(yīng)用于汽車、變壓器、電路板等其他機(jī)電設(shè)備。螺線管的最小形式被用于集成電路，也被用作電路中的電感器。

萊斯大學(xué)畢業(yè)生兼論文主要作者FangboXu指出晶體管會(huì)繼續(xù)變得更小；相比之下，基礎(chǔ)電感器會(huì)顯得越來(lái)越笨重。“在電路中是相同的，”他說(shuō)。“在商用硅片上，螺旋狀電感占據(jù)了過(guò)多的區(qū)域。如果石墨烯納米電磁線圈可以實(shí)現(xiàn)，會(huì)改變這種狀況。”

Yakobson和他的研究小組進(jìn)行了納米電磁線圈的計(jì)算機(jī)模擬分析，證明了這些螺線管應(yīng)該能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的1T磁場(chǎng)。如此強(qiáng)大的磁場(chǎng)通常存在于擴(kuò)音器。研究小組發(fā)現(xiàn)在螺旋中心的納米級(jí)空腔中磁場(chǎng)最強(qiáng)。

Yakobson評(píng)論說(shuō)，螺旋形式是簡(jiǎn)單的拓?fù)浞椒ā；旧希┯商荚恿切闻帕袠?gòu)成。沿著石墨烯材料一端的位錯(cuò)或者畸形的六邊形迫使其沿著本身旋轉(zhuǎn)。這可被認(rèn)為是類似于模仿黎曼表面的連續(xù)納米帶，這是一種數(shù)學(xué)構(gòu)造。

研究人員從理論上證明了能量穿過(guò)六邊形納米電磁線圈的方式。在這種情況下，邊緣具有鋸齒形或扶手椅形狀。研究團(tuán)隊(duì)觀察到70納米寬的納米電磁線圈與傳統(tǒng)205μm直徑螺旋電感器的性能相近。在尺寸方面進(jìn)行比較，納米電磁線圈縮小了大約10000000倍。

石墨烯沒(méi)有任何的能帶隙，因此，這將使電流沒(méi)有任何阻礙地通過(guò)。然而，螺旋寬度和鋸齒形或扶手椅狀的邊緣構(gòu)型，會(huì)影響電流分布的方式及其電感性能。

此外，研究人員認(rèn)為石墨烯螺型位錯(cuò)可以孤立于石墨碳晶體。然而，誘導(dǎo)石墨烯片以螺旋狀方式生長(zhǎng)將有助于更好地控制其特性。

Xu評(píng)論說(shuō)納米電磁線圈可能會(huì)成為自由基化學(xué)探針，磁分子可轉(zhuǎn)換陷阱或分子繼電器。

該研究論文已發(fā)表在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志《Nano Letters》期刊。

萊斯大學(xué)研究生HennryYu和畢業(yè)生ArtaSadrzadeh是這項(xiàng)研究的合作者。

海軍研究辦公室的多學(xué)科大學(xué)研究計(jì)劃、美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)支持這項(xiàng)研究。

新材料在線編譯整理——翻譯：Grubby 校正：摩天輪