解決高效石墨烯基納米電子器件制造所面臨的最大挑戰(zhàn)之一

導(dǎo)讀：

近日，丹麥的一支科研團(tuán)隊(duì)解決了高效石墨烯基納米電子器件制造所面臨的最大挑戰(zhàn)之一。

背景：

石墨烯，是由單層碳原子組成、具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維材料。

（圖片來(lái)源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

近15年來(lái)，科學(xué)家們一直試圖利用“奇跡材料”石墨烯來(lái)生產(chǎn)納米級(jí)電子器件。理論上看來(lái)，石墨烯應(yīng)該是非常理想的：它是超薄的 - 只有一個(gè)原子厚度，它是二維材料，非常適合傳導(dǎo)電流，所有這些特點(diǎn)表明石墨烯是理想的制備未來(lái)傳輸速度更快、體積更小、更節(jié)能的電子元件的理想材料，而且另一大優(yōu)勢(shì)是制備石墨烯的原料理論上可以無(wú)限供應(yīng)。

理論上，石墨烯可以通過(guò)切割微小的圖案來(lái)完成電子、光子學(xué)或傳感器等許多不同的任務(wù)，因?yàn)檫@從根本上改變了它的量子特性。然而，一個(gè)“簡(jiǎn)單”的任務(wù)，已經(jīng)證明是令人驚訝的困難：在石墨烯上產(chǎn)生一個(gè)帶隙-這是制造晶體管和光電子器件的關(guān)鍵。然而，由于石墨烯只是一個(gè)原子厚度，所有的原子都很重要，即使是圖案中的微小不規(guī)則也會(huì)破壞它的性質(zhì)。

“石墨烯是一種非常棒的材料，我認(rèn)為它將在制造新的納米級(jí)電子產(chǎn)品中起到至關(guān)重要的作用。問(wèn)題是設(shè)計(jì)石墨烯的電氣特性非常困難，”德國(guó)物理學(xué)教授PeterB?ggild說(shuō)。

奧爾堡大學(xué)石墨烯研究中心成立于2012年，專門研究石墨烯的電性能如何通過(guò)極小的尺寸改變其形狀來(lái)定制。 在實(shí)際模擬石墨烯時(shí)，來(lái)自DTU和奧爾堡的研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了與全球其他研究人員相同的經(jīng)歷：這是行不通的。

“當(dāng)使用石墨烯這樣的材料設(shè)計(jì)電路時(shí)，是為了以一種可控的方式改變它的特性-與你的設(shè)計(jì)相匹配。然而，我們多年來(lái)所看到的是，我們可以在石墨烯上蝕刻出電路，但不得不引入如此多的缺陷和污染，使它不再表現(xiàn)出石墨烯的優(yōu)異性能。這有點(diǎn)像制造水管，因?yàn)楣に嚥缓?，水管?nèi)部部分堵住了。從外面，它可能看起來(lái)很好，但水不能在其中自由流動(dòng)。對(duì)于電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這顯然是災(zāi)難性的，“PeterB?ggild說(shuō)。

石墨烯光電晶體管（圖片來(lái)源：Erin Easterling/普渡大學(xué)）石墨烯生物傳感器芯片(圖片來(lái)源：加州大學(xué)圣迭戈分校 )石墨烯材料的未來(lái)應(yīng)用（圖片來(lái)源：石墨烯旗艦項(xiàng)目）

創(chuàng)新

近日，丹麥的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)解決了這個(gè)問(wèn)題。成果發(fā)表在《自然納米技術(shù)（Nature Nanotechnology）》期刊上。

（圖片來(lái)源：DTU）

技術(shù)

丹麥技術(shù)大學(xué)物理系的兩名博士后 Bjarke Jessen 和 Lene Gammelgaard 首先將石墨烯封裝到另外一種二維材料（六方氮化硼）中，六方氮化硼是一種非導(dǎo)電的材料，通常用于保護(hù)石墨烯的特性。

接下來(lái)，他們采用一項(xiàng)稱為“電子束光刻”的技術(shù)，仔細(xì)地在氮化硼保護(hù)層和下面的石墨烯中，刻畫(huà)出密集的超小洞陣列。這些洞的直徑約為20納米，間距僅為12納米?？墒?，洞的邊緣的粗糙程度小于1納米（十億分之一米）。在如此微小的石墨烯結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過(guò)這種結(jié)構(gòu)的電流可比之前報(bào)告的成果高千倍。

（圖片來(lái)源：參考資料【2】）

價(jià)值

Peter Bggild 表示：“我們展示了，我們可以控制石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)其行為方式。當(dāng)控制能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，我們可以訪問(wèn)石墨烯所有的特性。而且我們發(fā)現(xiàn)，令我們吃驚的是，一些最微妙的量子電子效應(yīng)在密集的光刻之后還存在，這是非常令人鼓舞的。我們的研究表明，我們可以坐在電腦前設(shè)計(jì)元件和設(shè)備，或者想象出全新的東西，然后回到實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)它們?！?/p>

他繼續(xù)說(shuō)道：“在這個(gè)尺度上，許多科學(xué)家們放棄了在石墨烯中采用納米光刻技術(shù)的嘗試，這真是可惜，因?yàn)榧{米結(jié)構(gòu)化是探索石墨烯電子器件與光子器件最振奮人心的功能的一項(xiàng)關(guān)鍵工具?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)搞清楚它是如何實(shí)現(xiàn)的；也許可以這么說(shuō)，魔咒被解除了。雖然還有其他的挑戰(zhàn)，但是能調(diào)整石墨烯的電子特性，標(biāo)志著我們朝著創(chuàng)造尺寸極小的新型電子器件邁出了一大步。”