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突破！《Nature》子刊：新技術(shù)有望解決石墨烯無(wú)帶隙難題！

2019-02-21 12:09:44 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：石墨烯資訊分享至：

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，但是由于沒(méi)有帶隙，設(shè)計(jì)石墨烯的電氣特性非常困難，現(xiàn)在，一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題。近期他們的研究成果發(fā)表在《NatureNanotechnology》上。

背景

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(zhuān)門(mén)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)。

成果介紹

現(xiàn)在，一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題。近期他們的研究成果發(fā)表在《NatureNanotechnology》上。DTU Physics的兩個(gè)博士后，首先將石墨烯封裝在另一個(gè)二維材料- 六角形氮化硼中，這是一種非導(dǎo)電材料，通常用于保護(hù)石墨烯的特性。接下來(lái)，他們使用一種稱(chēng)為電子束光刻的技術(shù)，用一系列密集的超小孔仔細(xì)地對(duì)下面的氮化硼和石墨烯保護(hù)層進(jìn)行圖案化。這些孔的直徑約為20納米，孔之間的距離約12納米，然而，孔邊緣的粗糙度小于1納米，或十億分之一米。該石墨烯器件中的電流比之前報(bào)道的近似尺寸的要多1000倍。

“我們已經(jīng)證明我們可以控制石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)它應(yīng)該如何表現(xiàn)。當(dāng)我們控制能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，我們可以獲得石墨烯的所有特性 - 我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，一些最微妙的量子電子效應(yīng)能夠存活下來(lái)。密集的圖案 - 這是非常令人鼓舞的。我們的工作表明，我們可以坐在電腦前設(shè)計(jì)組件和設(shè)備 - 或者想出一些全新的東西 - 然后去實(shí)驗(yàn)室并在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)它們，”PeterB?ggild說(shuō)道。

“許多科學(xué)家早就放棄了在石墨烯中進(jìn)行納米光刻的研究，這是非?？上У?，因?yàn)榧{米結(jié)構(gòu)是開(kāi)發(fā)石墨烯電子和光子學(xué)最激動(dòng)人心的特征的關(guān)鍵工具?，F(xiàn)在我們已經(jīng)弄清楚它是如何完成的可以說(shuō)詛咒被解除了。還有其他挑戰(zhàn)，但事實(shí)上我們可以定制石墨烯的電子特性，這是朝著創(chuàng)造尺寸極小的新電子產(chǎn)品邁出的一大步，”PeterB?ggild說(shuō)。

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責(zé)任編輯：韓鑫