石墨烯的電子特性一直都很神秘，科學家們也一直未停止探索。然而，最近澳大利亞科學家利用鉆石量子傳感器，通過量子成像的方法，對于石墨烯中的電子運動情況進行了研究，并且給出了非常直觀的圖像。

　　首先，我們再次回顧一下石墨烯這個二維材料：

　　石墨烯，是一種由碳原子組成的蜂窩狀結(jié)構的薄片，只有一層原子的厚度的二維材料。它在很多方面都顯示出了極其優(yōu)秀的特性，例如：「薄」、「硬」、「可彎曲」、「導熱性好」、「導電性好」。

　　由于具有諸多優(yōu)秀特性，所以石墨烯應用很廣泛，John 之前也做過一些介紹例如：《石墨烯籠將硅粒子“關住”以提升鋰電池性能》、《石墨烯可以用于檢測癌癥：這不是捕風捉影！》、《低成本的石墨烯生物傳感器芯片：實時檢測DNA突變》、《新型石墨烯NFC天線：柔性、輕便、低成本、耐用》、《石墨烯腕帶，可以監(jiān)測血糖并治療糖尿病》、《晶圓之母？石墨烯“復制機器”，降低晶圓制造成本！》。

　　概括一下，應用領域包括：復合材料、導熱導電、鋰電池、傳感器、觸摸屏、顯示屏、通信、醫(yī)療、電子元器件、半導體等等。

　　然而，石墨烯的電子特性，是我們關注的重點。《邁向未來電子領域：雙層石墨烯設備控制電子運動》、《三層石墨烯：有助于電子的波動性和磁特性研究！》、《研究石墨烯等二維材料的電子特性：科學家有新招！》這三篇文章中，John 曾介紹過國際上對于單層、雙層、甚至三層石墨烯的電子特性進行的一些研究。

　　對于電子特性的研究，是為了讓石墨烯材料更好地應用于半導體或者電子設備，從而發(fā)揮其最大的潛能。

　　也許，大家會知道石墨烯內(nèi)部有著大量的不同尋常的電子遷移現(xiàn)象，所以石墨烯特別適合于作凝聚物理學的基礎研究，以及未來用于開發(fā)新型電子設備。

　　但是，石墨烯材料內(nèi)部的電子運動情況到底是怎樣的呢？眼見為實，我們有沒有可能看到直觀的圖像呢？

　　創(chuàng)新探索

　　為了應對上述的問題，澳大利亞墨爾本大學的科研人員進行了創(chuàng)新探索，并且取得顯著成果。他們不僅突破了現(xiàn)有技術存在的種種限制，而且更好的理解了石墨烯材料中的電子運動。

　　他們利用鉆石量子傳感器平臺進行「量子成像」。這是一種通用的、非侵入式的方法。它不但獲取到石墨烯結(jié)構中的電流圖像，而且分辨率很高，達到亞微米級，另外進行操作的溫度范圍也很廣，包含室溫條件。

　　墨爾本大學量子計算和通信技術中心（CQC2T）副主任 Lloyd Hollenberg 教授是這項研究的團隊領頭人，這項研究的論文《石墨烯中電流的量子成像》“

　　Quantum imaging of current flow in graphene” 發(fā)表于《科學進展》雜志。

　　核心技術

　　量子成像技術平臺是這項研究的核心技術平臺，它由一種近表面的、原子級的鉆石量子傳感器陣列構成，能映射出矢量磁場，重建石墨烯中的矢量電流密度。

　　該平臺測量出的石墨烯內(nèi)部電流產(chǎn)生的磁場圖像，會根據(jù)亞微米尺度的物理缺陷的不同，表現(xiàn)出強烈的空間分布變化，進而揭示出電流的特性和石墨烯結(jié)構中亞微米級別的缺陷之間的聯(lián)系。

　　鉆石成像平臺上的石墨烯帶示意圖：

　　注解如下：

　　（A） 實驗示意圖。鉆石平臺中的鉆石芯片具有一層近表面的氮空位（NV）中心。石墨烯設備直接安裝在鉆石芯片上，而鉆石芯片安裝在具有微波諧振器的蓋玻片上。綠色激光器照射NV中心引起的光致發(fā)光PL和微波激發(fā)，通過攝像頭成像，從而形成磁場圖像。

　　（B） 最終設備的光學顯微照片。鉆石外部和金屬接觸，焊線用于石墨烯帶的電流注入。

　　（C） 攝像頭記錄的明視場圖片，聚焦于石墨烯帶（不可見）。

　　（D） 在激光激發(fā)PL的同一區(qū)域的光致發(fā)光圖像。石墨烯帶由于光致發(fā)光的萃滅而變得可見。

　　（E） PL和位置的關系圖。

　　磁場圖像和電流密度的重建：

　　靠近石墨烯缺陷處的電流：

　　靠近金屬接觸位置的電流：

　　創(chuàng)新價值

　　這種創(chuàng)新方法為研究石墨烯結(jié)構和設備內(nèi)部基本的電子運動和自旋輸運，開辟了一條非常重要的新途徑。

　　更普遍的說，研究的范圍還可以擴大到二維材料和薄膜系統(tǒng)，不僅可以映射出普通的電流，還可以映射出自旋電流和磁偶極矩。

　　應用價值

　　Lloyd Hollenberg 教授認為：

　　“下一代基于超薄材料的電子設備，包括量子計算機特別容易受到損害，從而具有微小的裂縫和缺陷，對于電流產(chǎn)生影響。”

　　所以，這項技術使得我們能夠?qū)τ诎ㄊ﹥?nèi)的二維材料中的電流進行成像，便于我們直觀的判斷這些缺陷，對于電流產(chǎn)生什么樣的影響。

　　未來，量子計算機、存儲設備、柔性顯示設備、生物傳感器都會使用到石墨烯等二維材料，而這項技術無疑會提升這些設備的性能，使它們變得更加可靠。