超强的强度和只有一个原子厚度，石墨烯有望成为从微电子到清洁能源存储的一切纳米材料。但由于缺少一处房产，它的用途受到了限制。现在，普林斯顿大学和美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的研究人员利用低温等离子体克服了这一问题，创造了一种新技术，为纳米材料在工业和科学领域的广泛应用打开了大门。
比钢
比钻石更硬、比钢铁更坚固的石墨烯，有望成为下一代技术的基础。但是，在构成石墨烯的铅笔芯石墨中，由于缺乏一种被称为带隙的特性，限制了石墨烯作为半导体的功能，而半导体是微电子器件的核心材料。半导体既能绝缘又能导电，但石墨烯是一种优秀的导体，它不能作为没有带隙的绝缘体。
“人们使用具有带隙的硅来做半导体，”《碳》(Carbon)杂志上一篇描述这种新工艺的论文的第一作者方昭(Fang Zhao)说。“在石墨烯上打开一个相当大的带隙，已经引起了对半导体应用的密集研究，”赵说，他是费米国家加速器实验室(费米实验室)的物理学家，在普林斯顿大学博士后研究员期间写了这篇论文。
这种困境促使世界各地的科学家探索在石墨烯中产生带隙的方法，以扩大其潜在的应用。一种流行的方法是用氢对石墨烯表面进行化学修饰，这个过程被称为“氢化”。但传统的方法会产生不可逆的蚀刻和溅射，会在几秒或几分钟内严重破坏石墨烯(由于其超薄特性而被称为2D材料)的表面。
普林斯顿大学和PPPL的科学家们现在已经证明，一种新型的石墨烯加氢方法可以安全地打开广泛微电子应用的大门。这种方法标志着一种产生氢等离子体的新方法，大大拓宽了氢在二维材料中的覆盖范围。“这一过程产生了更长的氢处理过程，因为它对石墨烯的损伤较低，”赵说。
等离子体，即由自由电子和原子核组成的炽热带电物质状态，构成了可见宇宙的99%。PPPL为氢化石墨烯而开发的低温氢等离子体，与长期以来致力于开发安全、清洁、丰富的用于发电的聚变能源的PPPL研究的标志——百万度聚变等离子体形成了鲜明对比。
剥离的托勒密
这个新方法是从一个名为托勒密的实验衍生出来的，这是一个大学项目，普林斯顿的物理学家克里斯·塔利在赵的帮助下开发的。该项目利用氢的放射性同位素氚的衰变，试图捕捉宇宙大爆炸几秒钟后出现的残余中微子。根据托勒密计划，这些文物可能会为大爆炸理论提供新的线索。
为了提高衰变的探测率，塔利求助于PPPL的物理学家Yevgeny raits，他是PPPL低温等离子体研究的负责人。Tully说:“PPPL愿意携手合作，实现2D材料性能的转型，这是令人鼓舞的。”“打破石墨烯氢化产率的世界纪录是PPPL独特能力的体现。”
Raitses和他的同事开发了一种方法，可以在容纳氚衰变的石墨烯中扩大氢的覆盖范围。这一过程大大增加了石墨烯未来的应用。“从托勒密的衍生产品现在可以用于微电子学，QIS(量子信息科学)和其他应用，”Raitses说。“这种方法也可以应用于其他2D材料。”
这种分离物结合了电场和磁场，产生了一种氢等离子体，这种等离子体可以提供大量的氢，而且对石墨烯的损害很小。这种温和且控制良好的方法本身就是莱斯在研究霍尔推进器时所做研究的副产品。霍尔推进器是一种基于等离子体的航天器推进引擎。该技术在PPPL实验中将石墨烯氢化30分钟，大大增加了氢的覆盖范围，并打开了一个能将石墨烯转变为半导体材料的带隙。
复写纸说，这一切为制作2D材料创造了一种有吸引力的方法，“这是一种令人兴奋的、具有广阔应用前景的(资源)”。
普林斯顿大学物理学家克里斯·塔利(Chris Tully)和安迪·谭(Andi Tan)，以及普林斯顿大学化学与生物工程系的化学家杨晓芳(xiaoffang Yang)也参与了这篇论文的合作。对这项工作的支持来自美国能源部科学办公室(FES)和空军科学研究办公室。
