美意两国首次在纳米半导体结构中制备出“人造石墨烯”

美国哥伦比亚工程大学、普林斯顿大学、普渡大学和意大利理工学院首次重构了石墨烯在半导体器件中的电子结构,从而设计出“人造石墨烯”,在物理和材料科学领域取得重大突破,研究成果发表于《自然·纳米技术》。

[据今日科学网站2017年12月12日报道] 美国哥伦比亚工程大学、普林斯顿大学、普渡大学和意大利理工学院首次重构了石墨烯在半导体器件中的电子结构,从而设计出“人造石墨烯”,在物理和材料科学领域取得重大突破,研究成果发表于《自然·纳米技术》。

这个里程碑定义了凝聚态物质科学和纳米加工领域新技术。虽然人造石墨烯已经在光学、分子和光子晶格等其他系统中演示,但是这些平台缺乏半导体处理技术提供的多功能性和潜力。半导体人造石墨烯器件可作为探索新型电子开关,具有优异性能的晶体管,甚至可能作为基于独特量子力学态的存储信息的新方式的平台。

自20世纪初发现以来,石墨烯已引起物理学界的广泛关注,不仅是因为石墨烯是首个真正实现的二维材料,还因为石墨烯中碳原子的独特原子排列提供了一个平台,用于测试新的量子现象,这些量子现象难以在传统材料系统中观察到。石墨烯独特的电学性质使电子可以在发生散射之前传输较远的距离,它是一种良好的导体。这些性质还展示出其他独特的特性,使得电子的行为好像是接近光速的相对粒子一样,赋予这些电子非常规的、非相对论的电子所不具备的奇异性质。

但是作为一种天然物质,石墨烯仅由一种原子排列构成:石墨烯晶格中原子位置是固定的,因此基于石墨烯的所有实验必须适应这些限制。另一方面,人造石墨烯晶格可以在宽间距和配置范围内进行调控,使人造石墨烯成为凝聚态物质研究人员的圣杯,因为人造石墨烯比天然材料具有更多的功能。

研究人员说:“这是一个迅速扩大的研究领域,我们正在发现以前无法获得的新现象。当我们探索基于人造石墨烯电控制的新型器件概念时,我们可以解锁在先进光电和数据处理领域拓展前沿的潜力。”

美国加利福尼亚大学物理学教授史蒂文·G·路易说:“该工作实际上是人造石墨烯的一大进步。理论预测,可以人工创造类石墨烯电学性质的系统,并利用图案化二维电子气调谐。然而,自理论提出以来至此次工作成功开展之前,从未有人直接观察到工程半导体纳米结构中的特性。采用分子、原子和光子结构的先前研究与多功能、稳定的系统之间还距有很大的差距。纳米半导体结构为探索激动人心的新科学和实际应用提供了巨大的机遇。“

研究人员采用传统芯片技术工具,在砷化镓标准半导体材料中开发人造石墨烯。研究人员设计了一种层状结构,以至于电子仅可以在非常窄的层中运动,有效创建了一个二维层。采用纳米光刻和刻蚀技术图案化砷化镓:图案化产生了电子被限制在横向的六边形网格,这些网格可以认为是“人造原子”。“人造原子”间距为50纳米,可以与量子力学相互作用,类似于在固体中原子共享电子的方式。

小组通过照射激光探测人造晶格的电子状态,并测量散射光。散射光表明能量损失,这对应于从一个状态到另一个状态的电子能量的转变。当把这些转变映射出来时,研究小组发现他们正在狄拉克点附件以线性方式逼近零,狄拉克点处电子密度为零。

与天然石墨烯相比,人造石墨烯具有一些优点:例如,研究人员可以设计出蜂窝晶格的变化来调节电子行为。而且由于量子点之间的间距比天然石墨烯中的原子间间距大得多,所以研究人员可以在磁场的作用下观察到更为奇特的量子现象。

新的低维材料的发现,例如石墨烯和其他超薄、层状范德华薄膜,展现出令人兴奋的奇特的物理现象,为此次工作的开展打下了良好的基础。对该工作真正重要的是在纳米加工方面令人印象深刻的进步,这些技术可用于创建纳米尺度高质量图案。(工业和信息化部电子第一研究所 许文琪)

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