石墨烯纳米电磁线圈能产生强大的磁场

赖斯大学的研究人员已经发现螺旋状石墨烯纳米线圈能够产生强大的磁场，并可被用作纳米级电磁线圈。

据赖斯大学研究人员说，石墨烯制成的纳米线圈可作为电子应用有效的电磁线圈感应器。(图片来源:莱斯大学Yakobson研究小组)

电子元件小型化领域已有了重大进步。然而，相比之下，螺线管仍然太大。赖斯大学的研究人员发现了一种制备纳米级螺线管的方法，并在宏观尺度上证明了它的性能。

缩小螺线管尺寸的关键是存在于自然界的原子层厚螺旋状石墨烯。

“通常，我们确定认为可能具备某种特性的材料，但这一次我们关注已经存在形态，”赖斯理论物理学家Boris Yakobson说。“这些螺旋，或称螺型位错，在石墨生长时自然地形成，甚至在普通煤炭中。”

Yakobson是材料科学和纳米工程Karl F. Hasselmann教授兼莱斯大学化学教授。

与宏观电磁线圈感应器相同，施加电压会使电流流动，电流在螺旋路径上流动时会产生磁场。

“可以把这个结构比作电子的高层停车场，但没有停车位，所以电子只能穿过，”Yakobson说。“或者你可以说它类似阿基米德螺旋，旋转把水输送到高处，但充满的不是水而是电子。

“也许在这里可能是反向运行：通过外加电压输送的电子电流，在一定条件下可能会导致石墨烯螺旋自旋，就像一个快速小型的电涡轮机，”他说。

螺线管是一种由缠绕在金属核心上的电线制成的电磁体。当承载电流时产生磁场，它们被转换成电磁铁。螺线管通常被应用于汽车、变压器、电路板等其他机电设备。螺线管的最小形式被用于集成电路，也被用作电路中的电感器。

莱斯大学毕业生兼论文主要作者FangboXu指出晶体管会继续变得更小；相比之下，基础电感器会显得越来越笨重。“在电路中是相同的，”他说。“在商用硅片上，螺旋状电感占据了过多的区域。如果石墨烯纳米电磁线圈可以实现，会改变这种状况。”

Yakobson和他的研究小组进行了纳米电磁线圈的计算机模拟分析，证明了这些螺线管应该能够产生强大的1T磁场。如此强大的磁场通常存在于扩音器。研究小组发现在螺旋中心的纳米级空腔中磁场最强。

Yakobson评论说，螺旋形式是简单的拓扑方法。基本上，石墨烯由碳原子六角形排列构成。沿着石墨烯材料一端的位错或者畸形的六边形迫使其沿着本身旋转。这可被认为是类似于模仿黎曼表面的连续纳米带，这是一种数学构造。

研究人员从理论上证明了能量穿过六边形纳米电磁线圈的方式。在这种情况下，边缘具有锯齿形或扶手椅形状。研究团队观察到70纳米宽的纳米电磁线圈与传统205μm直径螺旋电感器的性能相近。在尺寸方面进行比较，纳米电磁线圈缩小了大约10000000倍。

石墨烯没有任何的能带隙，因此，这将使电流没有任何阻碍地通过。然而，螺旋宽度和锯齿形或扶手椅状的边缘构型，会影响电流分布的方式及其电感性能。

此外，研究人员认为石墨烯螺型位错可以孤立于石墨碳晶体。然而，诱导石墨烯片以螺旋状方式生长将有助于更好地控制其特性。

Xu评论说纳米电磁线圈可能会成为自由基化学探针，磁分子可转换陷阱或分子继电器。

该研究论文已发表在美国化学学会杂志《Nano Letters》期刊。

莱斯大学研究生HennryYu和毕业生ArtaSadrzadeh是这项研究的合作者。

海军研究办公室的多学科大学研究计划、美国空军科学研究办公室和美国国家科学基金会支持这项研究。

新材料在线编译整理——翻译：Grubby 校正：摩天轮