丹麦技术大学推动石墨烯在电子领域取得突破性进展

“石墨烯是一种性能优越的材料,我认为它将在制造新型纳米级电子器件中起到至关重要的作用。而问题是,想要设计石墨烯的电子特性却是非常困难的。”丹麦技术大学物理学教授Peter Bøggild说。

[据物理学组织网站2019年02月19日报道]15年来,科学家们一直试图利用“奇迹材料”石墨烯制造纳米级电子器件。石墨烯具有非常好的电学性能:它是超薄的二维结构材料,只有一个原子厚,非常适合传导电流,并且符合未来电子器件高效、节能的需求。此外,石墨烯是由碳原子组成的,这对于我们来说有着无限的供应。

理论上,石墨烯内部图案的微小变化就能影响石墨烯的量子特性。从而实现石墨烯材料在电子学、光子学或传感器上的应用。对石墨烯的带隙进行诱导控制对晶体管和光电器件的制造至关重要,但这一“简单”的任务却很难实现。然而,由于石墨烯只有原子厚度,所有的原子都很重要,甚至结构图案的微小不规则也会破坏其特性。

“石墨烯是一种性能优越的材料,我认为它将在制造新型纳米级电子器件中起到至关重要的作用。而问题是,想要设计石墨烯的电子特性却是非常困难的。”丹麦技术大学物理学教授Peter Bøggild说。

丹麦技术大学和奥尔堡大学的纳米结构石墨烯中心成立于2012年,该中心专门研究如何通过在极小的尺度上改变石墨烯的形状来调整石墨烯的电学性质。当真正对石墨烯内部结构进行图形化处理时,来自丹麦技术大学和奥尔堡的研究小组与世界各地的其他研究人员经历了同样的困难:石墨烯没有起作用。

当在石墨烯材料上制作图案时,是为了以一种可控的方式改变石墨烯的性质,以配合设计。然而,这些年来我们所看到的是,我们可以制造出这些孔,但同时也会引入大量的无序和污染,使其不再像石墨烯那样起作用。这有点类似于制造一根因制造质量差而部分堵塞的水管。从外面看,它可能看起来不错,但水不能自由流动。对于电子产品来说,这显然是灾难性的。

现在,科学家研究小组已经解决了这个问题。研究结果发表在《 Nature Nanotechnology》杂志上。两位来自丹麦技术大学的物理系博士后,Bjarke Jessen和Lene Gammelgaard,首先将石墨烯封装在另一种二维材料六方氮化硼中,六方氮化硼是一种常用于保护石墨烯性能的非导电材料。

接下来,他们使用电子束光刻技术,在氮化硼和石墨烯的保护层下,仔细地刻蚀出一排致密的超小孔。这些孔的直径约为20纳米,间距为12纳米。然而,孔边缘的粗糙度却小于1纳米,在这么小的石墨烯结构中,传导电流比之前报道的要大1000倍。而且不仅如此。

“已经证明,我们可以控制石墨烯的能带结构,设计它应该表现出那些特性。”当我们控制能带结构时,我们就能接触到石墨烯的所有特性,我们惊奇地发现,一些最细微的量子效应在致密的图案下依然存在,这是非常令人鼓舞的。我们的工作表明,我们可以坐在电脑前设计组件和器件或想出一些全新的东西,然后去实验室在实践中实现它们。”Peter Bøggild说,他继续说:“纳米结构是开发石墨烯电子学和光子学特性的关键工具,但是许多科学家早就放弃了这种规模的石墨烯纳米刻蚀技术,这是非常遗憾的。现在我们已经知道怎么做了,可以说“诅咒”已经解除了。未来还会有更多的挑战。但是现在我们已经实现了对石墨烯电子特性的控制,这在创造尺寸极小的电子器件征途上迈出了巨大的一步。” (工业和信息化部电子第一研究所 李茜楠)

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