石墨烯的電子特性一直都很神秘，科學(xué)家們也一直未停止探索。然而，最近澳大利亞科學(xué)家利用鉆石量子傳感器，通過(guò)量子成像的方法，對(duì)于石墨烯中的電子運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了研究，并且給出了非常直觀(guān)的圖像。

　　首先，我們?cè)俅位仡櫼幌率┻@個(gè)二維材料：

　　石墨烯，是一種由碳原子組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)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(dǎo)熱性好」、「導(dǎo)電性好」。

　　由于具有諸多優(yōu)秀特性，所以石墨烯應(yīng)用很廣泛，John 之前也做過(guò)一些介紹例如：《石墨烯籠將硅粒子“關(guān)住”以提升鋰電池性能》、《石墨烯可以用于檢測(cè)癌癥：這不是捕風(fēng)捉影！》、《低成本的石墨烯生物傳感器芯片：實(shí)時(shí)檢測(cè)DNA突變》、《新型石墨烯NFC天線(xiàn)：柔性、輕便、低成本、耐用》、《石墨烯腕帶，可以監(jiān)測(cè)血糖并治療糖尿病》、《晶圓之母？石墨烯“復(fù)制機(jī)器”，降低晶圓制造成本！》。

　　概括一下，應(yīng)用領(lǐng)域包括：復(fù)合材料、導(dǎo)熱導(dǎo)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(dǎo)體等等。

　　然而，石墨烯的電子特性，是我們關(guān)注的重點(diǎn)。《邁向未來(lái)電子領(lǐng)域：雙層石墨烯設(shè)備控制電子運(yùn)動(dòng)》、《三層石墨烯：有助于電子的波動(dòng)性和磁特性研究！》、《研究石墨烯等二維材料的電子特性：科學(xué)家有新招！》這三篇文章中，John 曾介紹過(guò)國(guó)際上對(duì)于單層、雙層、甚至三層石墨烯的電子特性進(jìn)行的一些研究。

　　對(duì)于電子特性的研究，是為了讓石墨烯材料更好地應(yīng)用于半導(dǎo)體或者電子設(shè)備，從而發(fā)揮其最大的潛能。

　　也許，大家會(huì)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(xué)的基礎(chǔ)研究，以及未來(lái)用于開(kāi)發(fā)新型電子設(shè)備。

　　但是，石墨烯材料內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)情況到底是怎樣的呢？眼見(jiàn)為實(shí)，我們有沒(méi)有可能看到直觀(guān)的圖像呢？

　　創(chuàng)新探索

　　為了應(yīng)對(duì)上述的問(wèn)題，澳大利亞墨爾本大學(xué)的科研人員進(jìn)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(shù)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(yùn)動(dòng)。

　　他們利用鉆石量子傳感器平臺(tái)進(jìn)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(gòu)中的電流圖像，而且分辨率很高，達(dá)到亞微米級(jí)，另外進(jìn)行操作的溫度范圍也很廣，包含室溫條件。

　　墨爾本大學(xué)量子計(jì)算和通信技術(shù)中心（CQC2T）副主任 Lloyd Hollenberg 教授是這項(xiàng)研究的團(tuán)隊(duì)領(lǐng)頭人，這項(xiàng)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(xué)進(jìn)展》雜志。

　　核心技術(shù)

　　量子成像技術(shù)平臺(tái)是這項(xiàng)研究的核心技術(shù)平臺(tái)，它由一種近表面的、原子級(jí)的鉆石量子傳感器陣列構(gòu)成，能映射出矢量磁場(chǎng)，重建石墨烯中的矢量電流密度。

　　該平臺(tái)測(cè)量出的石墨烯內(nèi)部電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)圖像，會(huì)根據(jù)亞微米尺度的物理缺陷的不同，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間分布變化，進(jìn)而揭示出電流的特性和石墨烯結(jié)構(gòu)中亞微米級(jí)別的缺陷之間的聯(lián)系。

　　鉆石成像平臺(tái)上的石墨烯帶示意圖：

　　注解如下：

　　（A） 實(shí)驗(yàn)示意圖。鉆石平臺(tái)中的鉆石芯片具有一層近表面的氮空位（NV）中心。石墨烯設(shè)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N(xiāo)V中心引起的光致發(fā)光PL和微波激發(fā)，通過(guò)攝像頭成像，從而形成磁場(chǎng)圖像。

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

　　（C） 攝像頭記錄的明視場(chǎng)圖片，聚焦于石墨烯帶（不可見(jiàn)）。

　　（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(jiàn)。

　　（E） PL和位置的關(guān)系圖。

　　磁場(chǎng)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(jià)值

　　這種創(chuàng)新方法為研究石墨烯結(jié)構(gòu)和設(shè)備內(nèi)部基本的電子運(yùn)動(dòng)和自旋輸運(yùn)，開(kāi)辟了一條非常重要的新途徑。

　　更普遍的說(shuō)，研究的范圍還可以擴(kuò)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(yīng)用價(jià)值

　　Lloyd Hollenberg 教授認(rèn)為：

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

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

　　未來(lái)，量子計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備、柔性顯示設(shè)備、生物傳感器都會(huì)使用到石墨烯等二維材料，而這項(xiàng)技術(shù)無(wú)疑會(huì)提升這些設(shè)備的性能，使它們變得更加可靠。