【據(jù)丹麥科技大學(xué)網(wǎng)站2019年2月19日報道】來自丹麥的一個研究團隊解決了利用石墨烯制造高效納米電子器件的最大挑戰(zhàn)之一。這個全新的研究結(jié)果已經(jīng)于近期發(fā)表在《自然·納米科技》期刊中。
過去15年，科學(xué)家們一直試圖利用“神奇材料”石墨烯來制造納米級電子器件。從各類文獻中得知，石墨烯是一種非常好的材料：它是超薄的——只有一個原子厚度，因此是一種二維材料，非常適合傳傳導(dǎo)電流，并很有希望用來制造未來更高效、更快、更節(jié)能的電子產(chǎn)品；此外，由于石墨烯是由碳原子構(gòu)成的，可以從自然界中無限制的獲得。
理論上，石墨烯可以根據(jù)使用場景的不同應(yīng)用于不同的器件，例如在電子器件、光學(xué)器件或傳感器中應(yīng)用，只需按要求訂制剪裁石墨烯的微小排布樣式，樣式的不同從根本上改變了石墨烯的量子特性。這其中一個看似“簡單”實際卻異常困難的工作就是誘導(dǎo)帶隙——這對于制造晶體管和光電器件至關(guān)重要。然而，由于石墨烯是二維的，只有原子一般的厚度，因此其中所有的原子都非常重要，甚至石墨烯結(jié)構(gòu)中的排列樣式出現(xiàn)微小的不規(guī)則也會破壞其性質(zhì)。
來自丹麥科技大學(xué)的物理系教授彼得·博吉爾德表示，石墨烯是一種非常棒的材料，它將在制造新的納米級電子產(chǎn)品中發(fā)揮關(guān)鍵作用。但目前面臨的主要問題就是設(shè)計實現(xiàn)石墨烯電子性能非常困難。
位于丹麥科技大學(xué)和奧爾堡大學(xué)的納米結(jié)構(gòu)石墨烯中心成立于2012年，專門研究如何在極小尺寸通過改變石墨烯的形狀訂制設(shè)計電學(xué)性質(zhì)。當將訂制號的石墨烯樣式進行模擬測試時，來自丹麥科技大學(xué)和奧爾堡大學(xué)的研究團隊經(jīng)歷了與全球其他研究人員相同的事情：石墨烯并未產(chǎn)生作用。
“當你為石墨烯這樣的材料設(shè)計排布樣式時，目的是以更加可控的方式改變其固有特性，匹配器件設(shè)計。但是，經(jīng)過多年的研究，我們是可以在石墨烯中設(shè)計出想要的排布樣式，但同時也引入了非常多結(jié)構(gòu)上的“無序”和“污染”，這使其不再像石墨烯那樣具有完整的、良好的性質(zhì)。這種情況有點類似于因為制造精度的問題導(dǎo)致部分堵塞的水管，從外部看可能看起來一切正常，但內(nèi)部的水不能自由流動。這種情況的存在顯然是災(zāi)難性的。“彼得·博吉爾德說。
現(xiàn)在，來自丹麥的科研團隊已經(jīng)解決了這個問題。相關(guān)的研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在了《自然·納米科技》期刊中。來自丹麥科技大學(xué)物理系的亞爾科·揚森和雷恩·賈梅爾高德兩位博士后，首先將石墨烯封裝在另一種二維材料中——六方氮化硼，這是一種非導(dǎo)電材料，通常用于保護石墨烯的的固有特性。隨后，他們使用一種被稱為電子束光刻的技術(shù)，刻蝕出一系列密集排列的超小孔精細地針對保護層氮化硼和它下面的石墨烯層進行自主樣式設(shè)計。這些小孔的直徑約為20納米，每個孔的間距也僅有12納米。每個小孔邊緣的粗糙度小于1納米(十億分之一米)。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計將使得通過這樣小尺寸石墨烯器件的電流比目前所能達到的水平還要高1000倍。不過，這種結(jié)構(gòu)能做到的不僅僅是這些。
“我們已經(jīng)證明，我們可以控制石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)，并通過結(jié)構(gòu)設(shè)計控制其性能表現(xiàn)。不過，當我們控制能帶結(jié)構(gòu)時，我們可以得到石墨烯的完整特性——我們很驚奇地發(fā)現(xiàn)，某些石墨烯中最微妙的量子、電子效應(yīng)，也在我們設(shè)計的密集孔隙排列組成的樣式中留存了下來——這是非常令人鼓舞的。這項工作證明，我們可以電腦中對電子器件進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)或樣式的設(shè)計，或進行一些創(chuàng)新，然后即可在實驗室通過實踐去實現(xiàn)它們的功能。”彼得·博吉爾德表示。
“許多科學(xué)家早就放棄了在石墨烯中進行納米光刻的研究，這是非?？上У模驗榧{米結(jié)構(gòu)是開發(fā)石墨烯電子和光子學(xué)器件最有效的手段和關(guān)鍵工具?，F(xiàn)在我們已經(jīng)明白它是這項技術(shù)如何完成的，圍繞這一技術(shù)的“詛咒”已經(jīng)被解除。不過我們依然面臨其他的挑戰(zhàn)。不過目前，我們已經(jīng)可以訂制石墨烯內(nèi)部的電子特性，這使我們朝著創(chuàng)造尺寸極小的新電子產(chǎn)品邁出了一大步。”彼得·博吉爾德表示。
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