高温超导结构体的制作方法

高温超导结构体
对相关申请的交叉引用
1.本技术要求2019年2月13日提交的美国临时专利申请62/805,225的权益和优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。


背景技术：

2.超导体是在诸如被冷却到低于临界温度的条件下表现出零电阻和磁通场排斥的材料。超导现象可用迈斯纳(meissner)效应来表征：随着材料转变为超导状态，磁场线从超导体内部完全射出。超导体的转变温度通常低于30k。如果材料在可被液氮冷却的温度(临界温度(t
c
)>77k)下达到超导状态，则通常认为超导体是高温的。


技术实现要素：

3.本公开的至少一个方面涉及一种具有低维材料的超导体器件，该低维材料的临界温度高于对应于该低维材料的块体形式的临界温度。该低维材料可包括低维材料的形状和结构的改变。该超导体器件可包括该低维材料的各种构造排列如纳米带、纳米管或螺旋结构。该超导体器件可包括连接到低维材料的诸如氢的官能团。该超导体器件可包括位于低维材料附近的金属簇。该超导体器件可包括单层、双层或多层的低维材料。
4.本公开的另一方面涉及一种具有低维材料的超导体器件。该低维材料的临界温度高于对应于该低维材料的块体形式的临界温度。该低维材料包括二维材料。
5.本公开的另一方面涉及一种提高石墨烯纳米带的临界温度的方法，包含抑制石墨烯纳米带中的电荷密度波。
6.上述概述仅是说明性的，并不旨在以任何方式进行限制。除了上述说明性的方面、实施方案和特征之外，通过参考附图和以下详细描述，进一步的方面、实施方案和特征将变得显而易见。
附图说明
7.图1示出了根据一个实施方案的超导体的序参数的对称性。
8.图2示意性地示出了根据一个实施方案的包括石墨烯纳米带的超导体器件。
9.图3示意性地示出了根据一个实施方案的包括官能化的低维材料的超导体器件。
10.图4示意性地示出了根据一个实施方案的包括低维材料的多层堆叠。
11.图5示出了根据一个实施方案的作为所施加压力的函数的宽度m＝3(h2gnr3)的h2官能化的石墨烯纳米带的声子色散。
12.图6a
‑
6d示出了根据一个实施方案的具有h2边缘官能化和硼掺杂的宽度m＝3的锯齿形石墨烯纳米带的构造。
具体实施方式
13.本文所述的实施方案大体上涉及提高超导体的转变温度。冷却成本可与转变温度
相关，接近室温的超导体可以降低超导体的冷却成本。降低超导体的冷却成本可以使其作为磁共振成像(mri)系统、同步加速器、飞轮、电子部件、电动机和发电机中的磁体材料而成为更经济的替代品。另外，接近室温的超导体可用于消磁线圈和其他需要非常低的电阻率或无电阻率以及超导性能(如迈斯纳效应)导电材料的应用。
14.在下面的详细描述中，参考了形成其一部分的附图。在附图中，除非上下文另有规定，否则相似的符号通常标识相似的部件。详细描述、附图和权利要求中所述的说明性实施方案并不意味着是限制性的。在不脱离这里呈现的主题的精神或范围的情况下，可以利用其他实施方案，并且可以做出其他改变。
15.超导性是导电固体的高度相关的电子状态，其表现出零电阻并且排除磁通量(这被称为迈斯纳效应)。孤立的电子相互排斥，这种排斥是由于库仑相互作用，该库仑相互作用通常是负性的。超导性涉及电子对(称为库珀对)的形成。在大多数情况下，每个库珀对包括两个具有相反自旋和动量的电子，由于它们与可克服库仑排斥的激发相互作用而具有净正相互作用或吸引力相互作用。
16.对于目前发现的大多数超导体(超过10,000种)，库珀对的这种相互作用与构成含有电子的晶格的原子(声子)的振动有关。这种电子
‑
声子相互作用可解释为库珀对中的一个电子使晶格极化，而第二个电子被这种变形所吸引。t
c
(称为转变温度或临界温度)，在该温度或低于该温度时导体变成超导体，主要取决于这种相互作用的两个特征：与特定声子模式耦合的强度和该模式的频率或能量。如果声子谱是f(ω)且与特定频率的耦合是α(ω)2，则α(ω)2f(ω)的积分可用于估算t
c
。对于大多数金属，声子谱不超过15毫电子伏特(mev)，这对应于仅高达25k(开尔文)的转变温度。
17.铜酸盐超导体是一族含有阴离子铜配合物的超导体材料。铜酸盐超导体的转变温度可高达160k(在压力下)，并且某些铜酸盐的声子谱可超过60mev。声子能量如此之大的一个原因是该化合物包含元素氧，其与大多数元素相比具有相对低的质量，原子的质量越轻，振荡的频率(和能量)越高。氧振荡和电子与声子的耦合使得高t
c
成为可能。例如，由于氢原子非常轻且声子能量非常高，因此在极端压力下h2s可出现203k的t
c
。声子谱可以接近100mev。
18.库珀对的大小被称为超导相干长度。对于t
c
小于20k的常规超导体，超导相干长度可为几百纳米。然而，一般而言，该大小与t
c
成反比。例如，铜酸盐的相干长度可小于10纳米。
19.声子机制是产生目前发现的大多数超导体的主要原因，但可能有例外。有几种其他的激发可产生超导性。这些激发涉及电子与通常比声子具有更高能量的电子激发的相互作用。这些激发包括例如等离子激元(导电电子的集体振荡)、激子(电子的激发态)和磁激发(例如磁振子)。除了这些主要发生在动量空间的相互作用之外，还有发生在真实空间中的激发，如极化子和双极化子(与晶格的相互作用非常强，以至于电子彼此物理结合)。
20.对于超导体，对称性不是一个好的量子数，因此对称性可被描述为“相似”而不是确定的。图1示出了超导体的序参数100的对称性。超导体的这些对称性是其中序参数接近对称的s状、其中序参数有两个正波瓣和两个负波瓣以及序参数变为零的动量空间中的点的d状、以及其中成对电子具有相同的自旋方向(自旋三重态)并且只有两个波瓣的p状。在更一般的eliashberg超导性理论中，声子机制对对称性是清楚的，并且在声子机制内所有
对称性都是可能的。然而，磁激励可能需要更高阶的对称性。
21.超导体的性质(其总体尺度是序参数的大小)可显著地受到表面或与另一种材料的界面的影响。例如，超导体中电子与界面或表面几纳米内的状态的相互作用可显著影响转变温度。例如，纯铝的t
c
为1.2k，而粒状铝诸如被氧化铝基质包围的铝晶粒可具有为纯铝t
c
几倍的转变温度。其他几种元素超导体就是这种情况。
22.此外，当界面缺陷导致界面变成导电且然后变成超导时，超导性可发生在两个电介质之间的界面处。这种效应发生在相对低的温度(几开尔文)下。
23.在一些实施方案中，可制造铜酸盐超导体(例如通过掺杂提供载流子)与其未掺杂的类似物的纳米级复合材料。掺杂区与未掺杂的铜酸盐相隔几纳米。t
c
可显著提高到与室温一样高。原因是对铜酸盐进行掺杂增加了超导性所需的载流子，但也增加了可降低超导特性的杂质。将掺杂和未掺杂的铜酸盐组合，来自掺杂区域的载流子泄漏(隧穿)到未掺杂区域，并且在这些区域中没有“对的破坏体”，因此可表现出显著更高的t
c
。
24.大多数块体有机材料是绝缘体，然而，具有离域的π电子的有机材料是导电性的(例如石墨烯和芳香族分子)。芳香族分子中的π电子可形成库珀对，使得分子处于超导状态。由于具有高振动频率的氢基团，小的类似石墨烯的分子(例如六苯并晕苯(hexabenzocoronene)、晕苯(corenene)或卵烯(ovalene))可以表现出室温超导性。对石墨烯和其他低维材料进行拓扑修饰或官能化可以产生高t
c
超导体。
25.在一些实施方案中，超导体器件包括低维材料。该低维材料可为低维超导材料。低维超导材料可为具有至少一个被限制为小于超导体的相干长度的维度的超导体。例如，二维超导体具有被限制为小于超导体的相干长度的一个维度。一维超导体具有被限制为小于超导体的相干长度的两个维度。零维超导体具有被限制为小于超导体的相干长度的三个维度。低维材料的临界温度可高于对应于该低维材料的块体形式的临界温度。低维材料可具有与对应于该低维材料的块体形式的临界场不同的临界场。低维材料可具有与对应于该低维材料的块体形式的临界电流不同的临界电流。低维材料的块体形式可包括其性质反映了块体性质的材料。块体性质包括不受空间维度限制的性质(即电阻率、反应性、介电强度、电容、电导率、介电常数、磁导率或压电磁性)。相比之下，低维材料包括具有在空间维度上受限且不同于材料的块体形式的性质的材料。例如，石墨烯是一种低维材料或二维材料，其电子、光学、热和机械性能与其块体形式的石墨大不相同。
26.在一些实施方案中，低维材料可为二维材料。例如，二维材料可包括石墨烯、二硫化钼、二硒化钨、石墨炔(graphyne)、硼烯(borophene)、锗烯(germanene)、有机硅、锡烯(stanene)、磷烯(phosphorene)、铋烯(bismuthene)、石墨烯或六方氮化硼。二维材料可包括石墨烯纳米带。二维材料可包括确定低维材料的临界温度的宽度参数。例如，石墨烯纳米带可包括确定石墨烯纳米带的临界温度的宽度参数。二维材料可包括确定低维材料的临界温度的长度参数。例如，石墨烯纳米带可包括确定石墨烯纳米带的临界温度的长度参数。二维材料可包括长度参数和宽度参数。长度参数可显著大于宽度参数。例如，石墨烯带的长度可比宽度大几个数量级。在一些实施方案中，低维材料可包括位于二维材料的第一单层与二维材料的第二单层之间的多个离子、原子或分子。例如，诸如对联三苯的分子可插入在二维材料的层或多个单层之间。
27.在一些实施方案中，低维材料可为一维材料。例如，一维材料可包括碳纳米管、石
墨烯纳米带或纳米线。碳纳米管可为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。纳米线可为具有纳米数量级直径的纳米结构。在一些实施方案中，低维材料可为零维材料。例如，零维材料可包括纳米晶体、纳米级粒子、纳米颗粒、超原子(例如铝簇，诸如al7、al
13
、al
14
、al
23
、或al
37
)或富勒烯。纳米晶体可具有至少一个小于100纳米的尺度。例如，纳米晶体可包括量子点。例如，低维材料可包括球形富勒烯，其具有结合到富勒烯的笼中的金属原子或化合物(例如内嵌富勒烯(endohedral fullerene))。在一些实施方案中，富勒烯可包括巴基球簇、纳米管、巨型管、聚合物、纳米洋葱(nano
‑
onion)、连接的球与链二聚体或富勒烯环。
28.在一些实施方案中，低维材料可包括结晶材料。例如，结晶材料可由单层原子构成。在一些实施方案中，低维材料可包括临界温度高于273.15k(例如高于273.15k，或高于298.15k)的超导体。在一些实施方案中，低维材料可包括临界温度高于100k的超导体。在一些实施方案中，低维材料可包括在标准的温度和压力条件(273.15k和1巴)下为超导性的超导体。在一些实施方案中，低维材料可包括多个缺陷(例如空位缺陷、间隙缺陷、弗伦克尔缺陷、反位缺陷和替位缺陷)。
29.图2示出了包括作为石墨烯纳米带202的低维材料的超导体器件200的实施方案。在一些实施方案中，石墨烯纳米带202可包括宽度参数204和长度参数206。在一些实施方案中，石墨烯纳米带202具有取决于石墨烯纳米带202的宽度参数204的临界温度。在一些实施方案中，石墨烯纳米带202包括取决于石墨烯纳米带202的长度参数206的临界温度。超导体器件200在环境条件可以是稳定的。
30.在一些实施方案中，石墨烯纳米带202的临界温度可通过计算模拟获得。在一些实施方案中，可计算石墨烯纳米带202的声子谱以获得石墨烯纳米带202的临界温度的估算值。在一些实施方案中，可计算电子
‑
声子耦合常数以获得石墨烯纳米带202的临界温度的估算值。
31.根据本公开的一些实施方案，利用化学气相沉积(cvd)或碳化硅(sic)上的硅(si)原子的升华来合成石墨烯纳米带202。石墨烯的化学气相沉积可涉及在高温(例如600℃
‑
1200℃)下将催化剂材料(例如cu、ni、pt、co等)暴露于烃气体(例如ch4、c2h2、c2h4等，通常与h2和氩或n2混合)以生成石墨烯薄膜。随后，石墨烯膜可从金属催化剂转移到靶衬底上。转移工序可涉及用聚合物膜(例如聚(甲基丙烯酸甲酯)(pmma))涂覆石墨烯层，通过以下方式去除催化剂材料：蚀刻(例如在氯化铁或过硫酸铵溶液中)，分层或电化学辅助分层。然后将石墨烯聚合物堆叠转移到靶衬底上，并用溶剂(例如丙酮)去除聚合物。一旦石墨烯在靶衬底上，就通过光刻将石墨烯层图案化为纳米带。光刻是通过用光刻胶涂覆石墨烯样品、将电子束暴露于样品并使光刻胶显影来完成的。例如，光刻可包括极紫外光刻(euvl)。然后通过用轻的氧等离子体去除部分石墨烯层来将石墨烯图案化，以获得所期望的结构。根据本公开的一些实施方案，通过cvd直接(例如在ge(001)上)合成石墨烯纳米带202，其中石墨烯优先沿ge衬底的阶梯边缘以一个结晶学取向生长。
32.根据本公开的一些实施方案，非常窄的石墨烯纳米带202是通过从分子前体自下而上的化学合成产生的。合成以两个热活化步骤进行，其中第一步骤从前体裂解卤素并形成共价偶联聚合物(聚合温度可为大约200℃)。第二步骤在更高的温度下将该结构转化为石墨烯(环化脱氢温度可为大约320℃)。分子前体可以是二溴苝c
20
h
10
br2，衬底通常涉及金属薄膜，诸如au(111)。根据本公开的一些实施方案，石墨烯纳米带202通过拉开碳纳米管
(cnt)来合成。拉开cnt可涉及在氩等离子体中的温和蚀刻或在酸(例如硫酸)中的化学蚀刻。
33.图3示出了包括低维材料302的超导体器件200的实施方案，其中低维材料302包括多个连接到低维材料302的官能团304、306。在一些实施方案中，官能团304可连接到低维材料302的边缘。低维材料可包括石墨烯纳米带202。在一些实施方案中，官能团306可连接到低维材料的基面。基面是垂直于晶系中主轴的平面。在一些实施方案中，低维材料302相对于原始单层是有缺陷的。石墨烯的原始单层可包括不具有结晶学缺陷的石墨烯。有缺陷的低维材料可包括多个晶体学缺陷。晶体学缺陷可包括点缺陷(例如空位缺陷、间隙缺陷、弗伦克尔缺陷、反位缺陷和替位缺陷)。有缺陷的低维材料可包括穿孔材料，诸如穿孔石墨烯。
34.连接到低维材料边缘的官能团304可不连接到低维材料的边缘，可连接到低维材料的一些边缘或可连接到低维材料的全部边缘。官能团304可以特定图案连接或随机位于低维材料的边缘。官能团304可包含同一或多于一种的官能团类型。
35.连接到低维材料的基面的官能团306可不连接到低维材料的基面，可连接到低维材料的一些基面或可连接到低维材料的全部基面。官能团306可以特定图案排列或随机位于低维材料的基面上。官能团306可包含同一或多于一种的官能团类型。
36.在一些实施方案中，低维材料302可包括多个连接到低维材料302的边缘的官能团。在一些实施方案中，低维材料302可包括多个连接到低维材料302的基面的官能团。多个官能团可包括氢或钾中的至少一种。多个官能团可覆盖低维材料302的整个表面(例如在完全氢化的石墨烯的情况下为石墨烷(graphane))。多个官能团可都是相同的官能团或不同的官能团。官能团可覆盖低维材料的一个侧面、部分侧面或全部侧面。氢基团的高振动频率可有助于高温超导性。官能团可改变没有官能团的低维材料的态密度。根据本公开的一些实施方案，可通过将低维材料暴露于氢等离子体而将低维材料302进行氢官能化。根据本公开的一些实施方案，可以通过化学氢化而将低维材料302进行氢官能化。例如，伯奇(birch)还原可将石墨烯氢化，这可包括将石墨烯的边缘和基面官能化。
37.在一些实施方案中，低维材料可包括氢化物。例如，氢化物可掺杂有原子、分子或离子。氢化物可包括多个连接到该氢化物的官能团。在一些实施方案中，氢化物在标准的温度和压力条件下是超导材料。氢化物的一个例子是氢化锆。例如，氢化物还可包括氢化铝、砷化氢、氢化铍、氢化铋、氢化镉、氢化铯、氢化钙、一氢化钙、氢化铬(ii)、四羰基氢化钴、氢化铜、二镓烷、二锗烷、二异丁基氢化铝、锗烷、三氢化铟、氢化铁、四羰基氢化铁、氢化铁(i)、氢化铁(ii)、氢化铝锂、氢化锂、氢化镁、六氢化铁镁、一氢化镁、氢化镍镁、氢化汞(i)、氢化汞(ii)、金属羰基氢化物、二氢二茂钼(molybdocene dihydride)、氢化镍、氢化钯、铅烷、氢化钚、氢化钾、氢化铷、氢化钪、氢化钪(iii)、氢化铝钠、双(2
‑
甲氧基乙氧基)氢化铝钠、氢化钠、锡烷、锑化氢、氢化铊、氢化钛、氢化钛(iv)、三丁基氢化锡、三苯基氢化锡(tiphenyltin hydride)、氢化铀、氢化钇、氢化锌、氢化锆(ii)。
38.低维材料302可包括掺杂剂物质。掺杂剂物质可以包括胺、亚胺、有机自由基、芳香族分子、硼、金、铋、锑、溴、碘、重氮盐、氢、钾和烷基中的至少一种。可通过液体门控或电解质门控中的至少一种来对低维材料302进行掺杂。可利用掺杂剂物质对低维材料302进行化学官能化。掺杂剂物质可包括固定于低维材料302的第一结合部分和可移除地连接于第一结合部分的第一自由部分。掺杂剂物质可改变低维材料的电子性质。电子性质可包括晶体
对称性、费米能级、能带结构、载流子数量、迁移率、隧穿行为和导电特性中的至少一种。可通过添加多种化学物质对低维材料302进行化学掺杂。可通过施加电压对低维材料302进行电化学掺杂。低维材料302可包括吸附在低维材料表面上的掺杂物物质。在一些实施方案中，低维材料嵌入有掺杂剂物质。
39.在一些实施方案中，可在添加官能团之前将低维材料302引入结晶学缺陷。例如，可使石墨烯具有缺陷，未结合的碳原子可用氢来官能化。可在氢等离子体中原位进行实验。当缺陷形成并且石墨烯在等离子体中被官能化时，可监测石墨烯的薄层电阻。例如，可通过石墨烯的氢官能化来形成颗粒状超导域。
40.在一些实施方案中，可利用烷烃通过低维材料302(例如石墨烯)的催化反应而将低维材料302质子化。例如，伯奇还原可用于将石墨烯的边缘和基面氢化。在另一个例子中，可通过在阴极产生氢以在石墨烯表面产生高局部氢浓度的过程对石墨烯进行电化学官能化。
41.金属簇含有离域电子并且它们的状态形成壳，其类似于原子或核中的壳。壳结构的存在导致电子可能表现出对相关的现象。在一些实施方案中，约瑟夫森(josephson)隧道网络可用于形成金属簇的连续超导网络。例如，低维材料可形成约瑟夫森隧道网络。在一些实施方案中，低维材料(例如石墨烯)可用作超导簇的基础衬底。石墨烯层中的超导性可由来自超导簇的邻近效应引起。在一些实施方案中，低维材料与聚合物衬底偶联。例如，低维材料可以结合、粘附或吸附到聚合物衬底上。在一些实施方案中，低维材料包括多个sp2杂化原子。例如，低维材料可为具有sp2构型的碳键的石墨烯。在一些实施方案中，低维材料包括多个sp3杂化原子。例如，低维材料可为具有sp3构型的碳键的石墨烷。
42.在一些实施方案中，低维材料可为二维材料。二维材料可包括多于一个的单层。单层可为一个原子厚。二维材料可包括位于二维材料的第一单层与二维材料的第二单层之间的多个离子。例如，ca
2+
、k
+
或fe
2+
离子可位于或嵌入二维材料的层之间。二维材料可包括位于二维材料的第一单层与二维材料的第二单层之间的多个原子。例如，he、cu或au的原子可位于或嵌入二维材料的层之间。二维材料可包括位于二维材料的第一单层与二维材料的第二单层之间的多个分子。例如，h2、ch4、o2或对联三苯的分子可位于或嵌入二维材料的层之间。二维材料可包括吸附在二维材料的至少两个表面上的掺杂剂物质。
43.图4示意性地示出了包括低维材料的多层堆叠400。低维材料可包括与第二单层420相邻的第一单层410。低维材料可为一个或几个原子厚(例如1、2、5或10个原子厚)的结晶材料。超导体器件可包括低维材料，其中低维材料是单层。单层可包括单个的紧密堆积的原子、分子或晶胞的层。超导体器件可包括低维材料，其中低维材料是双层。双层可包括紧密堆积的原子或分子的双层。超导体器件可包括低维材料，其中低维材料为多层。多层可包括单层的堆叠。在一些实施方案中，多层可包括多层堆叠。在一些实施方案中，多层堆叠可为至少一个或多个周期。例如，低维材料可包括由a表示的第一单层410和由b表示的第二单层420。多层堆叠可为ab的至少一个周期或ab的多个周期(诸如五个周期，由ababababab)表示。层a和层b的厚度在每个重复层上可为恒定的或可变的。层a的厚度可与层b的厚度相同或不同。第一单层410和第二单层420在每个重复层上的组成可相同或不同。例如，单层a可有多于一个变体，诸如a1和a2。单层b可有多于一个的变体，诸如b1和b2。多层堆叠可包括诸如aba2b2ab1a1b的堆叠或低维材料的组成变体的任何组合。多层堆叠可促进多层堆叠的层
之间的载流子耦合。低维材料的堆叠层可将低维结构转变为具有更高维的结构。低维材料的堆叠层可引入用于载流子耦合的界面。多层堆叠可在低维材料的单层之间产生强耦合的载流子系统。耦合的载流子是相互作用的带电粒子。这些相互作用可由基本力之一引起，其强度由无量纲耦合常数给出。例如，耦合可以发生在具有a1b2a2bab3堆叠的多层堆叠的层a1与a2或a1与a之间。
44.超导体器件可包括低维材料，其中低维材料是超晶格。超晶格可包括两种或更多种材料的层的周期性结构。在一些实施方案中，低维材料层可包含堆叠。在一些实施方案中，例如可通过介电材料将堆叠封装。介电材料可包括氧化钛或氧化铝中的至少一种。
45.在一些实施方案中，低维材料可包括石墨烯、二硫化钼或二硒化钨中的至少一种。在一些实施方案中，低维材料可包括石墨烯纳米带、石墨烯螺旋结构或单壁碳纳米管中的至少一种。在一些实施方案中，石墨烯纳米带可具有特定的边缘终端(例如扶手椅边缘终端或锯齿形边缘终端)。低维材料可包括一束纳米管或一根纳米管绳。在一些实施方案中，低维材料是第一低维材料并且第一低维材料紧邻第二低维材料。例如，第一低维材料可与第二低维材料相邻。
46.在一些实施方案中，低维材料是超导线。在一些实施方案中，超导线是光电探测器的部件。在一些实施方案中，超导线是量子计算机的部件。在一些实施方案中，超导线可连接在一起。在一些实施方案中，低维材料是互连件。在一些实施方案中，互连件是硅芯片的部件。
47.在一些实施方案中，低维材料是磁体的部件。在一些实施方案中，低维材料是飞轮的磁性部件。在一些实施方案中，低维材料是飞机、车辆或轮船的磁性部件。在一些实施方案中，低维材料是核磁共振器件的磁性部件。在一些实施方案中，低维材料是磁场传感器、光敏器、光学传感器、电流传感器或生物传感器中的至少一种。
48.图5示出了作为施加压力500的函数的宽度m＝3(h2gnr3)的h2官能化的石墨烯纳米带的声子色散。h2官能化的石墨烯纳米带可包括具有用h2官能化的末端碳原子的石墨烯纳米带。m＝n的宽度表示石墨烯纳米带为n环宽。例如，m＝7表示石墨烯纳米带为7环宽，m＝3表示石墨烯纳米带为3环宽，m＝2表示石墨烯纳米带为2环宽，m＝1表示石墨烯纳米带为1环宽。有助于高t
c
的声子模式也可以引起电荷密度波的不稳定性。可使用抑制电荷密度波不稳定性的方法来获得具有高t
c
且稳定的材料。抑制电荷密度波不稳定性的一种方法可包括向石墨烯纳米带施加应力。例如，提高石墨烯纳米带的临界温度可包括向石墨烯纳米带施加应力。应力下的石墨烯纳米带的临界温度可高于未受应力的石墨烯纳米带的临界温度((b)0gpa)。图5显示出向宽度m＝3的h2官能化的石墨烯纳米带施加应力抑制了电荷密度波。对于(a)
‑
10gpa的拉伸应变，所有声子模式都是真实的，而对于更高的压力(例如(c)10gpa、(d)20gpa)，声子模式是虚构的。虚构的模式可以是系统不稳定性的指示。施加应力可抑制其他石墨烯纳米带状结构(例如二维材料等)的电荷密度波。可通过将材料施加到衬底上并压缩或拉紧衬底材料，或将石墨烯结构暴露于加压的气氛中来实现应力的施加。
49.在一些实施方案中，抑制石墨烯纳米带中的电荷密度波可包括将石墨烯纳米带设置在衬底材料上。衬底材料可具有第一晶格常数，石墨烯纳米带可具有第二晶格常数。第一晶格常数可不同于第二晶格常数。可通过其中衬底和石墨烯纳米带具有不同或不匹配的晶格常数的系统以这种方式来抑制电荷密度波。
50.另一种抑制电荷密度波并获得稳定的高t
c
结构的方法是通过在系统中添加杂质或缺陷，或通过掺杂。例如，高t
c
结构可包括石墨烯纳米带骨架和间隙掺杂剂原子，诸如硼。图6a
‑
6d示出了具有h2边缘官能化和硼掺杂600的宽度m＝3的锯齿状石墨烯纳米带的构造。描绘的原子是氢602、碳604和硼608。例如，图6a、图6b、图6c和图6d示出了具有硼掺杂剂原子的h2官能化的石墨烯纳米带。结构的t
c
可取决于硼原子的配置或位置。在一些实施方案中，抑制石墨烯纳米带中的电荷密度波可包括将杂质、缺陷、吸附物或掺杂剂中的至少一种结合到石墨烯纳米带中。
51.在一些实施方案中，抑制石墨烯纳米带中的电荷密度波可包括将石墨烯纳米带设置在超导材料附近，使得超导材料中的电子与石墨烯纳米带中的声子相互作用。例如，可将处于半导体状态的石墨烯纳米带(例如宽度m＝1的h2官能化的石墨烯纳米带)放置在极为接近超导材料之处，使得超导材料中的电子与石墨烯纳米带结构中的声子相互作用。组合的石墨烯纳米带与超导材料可产生石墨烯纳米带结构。组合的石墨烯纳米带与超导材料可产生由两种材料组成的超导材料。石墨烯纳米带可用作接近石墨烯纳米带结构的另一种超导材料的增强材料。石墨烯纳米带结构可以处于电子声子耦合可能高的半导体状态。然而，石墨烯纳米带结构的门控或掺杂可以引起石墨烯纳米带结构中的不稳定性。然而，超导体中的电子可与石墨烯带中的声子相互作用而不会引起不稳定。
52.如本文所用，术语“大约”、“约”、“基本上”和类似术语旨在具有广泛的含义，与本公开的主题所属领域的普通技术人员的普遍和所接受的用法一致。审阅本公开的本领域技术人员应当理解，这些术语旨在允许对所述和要求保护的某些特征进行描述，而不是将这些特征的范围限制在所提供的精确数值范围。因此，这些术语应被解释为表明所述和要求保护的主题的非实质性或无关紧要的修改或变更视为在所附权利要求中所述的本公开的范围内。
53.如本文所用，术语“耦合”是指两个构件直接或间接地彼此连接。这种连接可以是固定的(例如永久的或固定的)或可移动的(例如可移除的或可释放的)。这种连接可以通过以下方式来实现，将两个构件直接相互耦合，使用单独的中间构件和相互耦合的任何附加中间构件将两个构件相互耦合，或者使用与两个构件之一一体地形成为单一整体的中间构件将两个构件相互耦合。这样的构件可以以机械方式、电方式和/或流体方式耦合。
54.如本文所用，术语“或”以其包括意义(而非排他意义)使用，因此当用于连接部件列表时，术语“或”表示列表中的一个、一些或全部要素。连接语如短语“x、y和z中的至少一个”被理解为表达要素可以是x、y、z；x和y；x和z；y和z；或x、y和z(即x、y和z的任意组合)，除非另外特别说明。因此，这样的连接语一般不旨在暗示某些实施方案需要x中的至少一个、y中的至少一个和z中的至少一个各自存在，除非另有说明。
55.本文中对要素位置(例如“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等)的引用仅用于描述图中各种部件的取向。应当注意，各种部件的取向可以根据其他示例性实施方案而不同，并且这种变化旨在被本公开所涵盖。
56.如本文所用，单数术语“一”、“一个”和“该”可以包括复数对象，除非上下文另有明确规定。
57.另外，数量、比率和其他数值有时在本文中以范围格式呈现。应当理解，这样的范围格式是为了方便和简洁而使用的，并且应该灵活地理解为包括明确指定为范围界限的数
值，但也包括包含在该范围内的所有单独数值或子范围，犹如每个数值和子范围都被明确指定。
58.如实施方案中所示的系统和方法的要素的构造和布置仅是说明性的。尽管仅详细描述了本公开的几个实施方案，但审阅本公开的本领域技术人员将容易理解许多修改是可能的(例如各种要素的大小、尺度、结构、形状和比例的变化、参数值、安装布置、材料的使用、颜色、取向等)而实质上并不背离所述主题的新颖教导和优点。例如，显示为整体形成的部件可以由多个部分或要素构成。应当注意，本文公开的部件和/或组件可以由提供足够强度或耐用性的多种材料中的任一种以多种颜色、结构和组合中的任一种构成。根据替代实施方案，任何过程或方法步骤的顺序或次序都可以改变或重新排序。在不脱离本公开的范围或所附权利要求的精神的情况下，可以在优选实施方案和其他实施方案的设计、操作条件和布置中进行其他替换、修改、改变和省略。