賴斯大學的研究人員已經發現螺旋狀石墨烯納米線圈能夠產生強大的磁場，并可被用作納米級電磁線圈。

據賴斯大學研究人員說，石墨烯制成的納米線圈可作為電子應用有效的電磁線圈感應器。(圖片來源:萊斯大學Yakobson研究小組)

電子元件小型化領域已有了重大進步。然而，相比之下，螺線管仍然太大。賴斯大學的研究人員發現了一種制備納米級螺線管的方法，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，我們確定認為可能具備某種特性的材料，但這一次我們關注已經存在形態，”賴斯理論物理學家Boris Yakobson說。“這些螺旋，或稱螺型位錯，在石墨生長時自然地形成，甚至在普通煤炭中。”

Yakobson是材料科學和納米工程Karl F. Hasselmann教授兼萊斯大學化學教授。

與宏觀電磁線圈感應器相同，施加電壓會使電流流動，電流在螺旋路徑上流動時會產生磁場。

“可以把這個結構比作電子的高層停車場，但沒有停車位，所以電子只能穿過，”Yakobson說。“或者你可以說它類似阿基米德螺旋，旋轉把水輸送到高處，但充滿的不是水而是電子。

“也許在這里可能是反向運行：通過外加電壓輸送的電子電流，在一定條件下可能會導致石墨烯螺旋自旋，就像一個快速小型的電渦輪機，”他說。

螺線管是一種由纏繞在金屬核心上的電線制成的電磁體。當承載電流時產生磁場，它們被轉換成電磁鐵。螺線管通常被應用于汽車、變壓器、電路板等其他機電設備。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。

萊斯大學畢業生兼論文主要作者FangboXu指出晶體管會繼續變得更小；相比之下，基礎電感器會顯得越來越笨重。“在電路中是相同的，”他說。“在商用硅片上，螺旋狀電感占據了過多的區域。如果石墨烯納米電磁線圈可以實現，會改變這種狀況。”

Yakobson和他的研究小組進行了納米電磁線圈的計算機模擬分析，證明了這些螺線管應該能夠產生強大的1T磁場。如此強大的磁場通常存在于擴音器。研究小組發現在螺旋中心的納米級空腔中磁場最強。

Yakobson評論說，螺旋形式是簡單的拓撲方法。基本上，石墨烯由碳原子六角形排列構成。沿著石墨烯材料一端的位錯或者畸形的六邊形迫使其沿著本身旋轉。這可被認為是類似于模仿黎曼表面的連續納米帶，這是一種數學構造。

研究人員從理論上證明了能量穿過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。研究團隊觀察到70納米寬的納米電磁線圈與傳統205μm直徑螺旋電感器的性能相近。在尺寸方面進行比較，納米電磁線圈縮小了大約10000000倍。

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

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

Xu評論說納米電磁線圈可能會成為自由基化學探針，磁分子可轉換陷阱或分子繼電器。

該研究論文已發表在美國化學學會雜志《Nano Letters》期刊。

萊斯大學研究生HennryYu和畢業生ArtaSadrzadeh是這項研究的合作者。

海軍研究辦公室的多學科大學研究計劃、美國空軍科學研究辦公室和美國國家科學基金會支持這項研究。

新材料在線編譯整理——翻譯：Grubby 校正：摩天輪