【據(jù)丹麥科技大學(xué)網(wǎng)站2019年2月19日報(bào)道】來自丹麥的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)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(gè)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(xiàn)中得知，石墨烯是一種非常好的材料：它是超薄的——只有一個(gè)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(gè)看似“簡單”實(shí)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(jì)實(shí)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(jì)電學(xué)性質(zhì)。當(dāng)將訂制號的石墨烯樣式進(jìn)行模擬測試時(shí)，來自丹麥科技大學(xué)和奧爾堡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)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(dāng)你為石墨烯這樣的材料設(shè)計(jì)排布樣式時(shí)，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(jì)。但是，經(jīng)過多年的研究，我們是可以在石墨烯中設(shè)計(jì)出想要的排布樣式，但同時(shí)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(diǎn)類似于因?yàn)橹圃炀鹊膯栴}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(dòng)。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(tuán)隊(duì)已經(jīng)解決了這個(gè)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(yáng)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(hù)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(xì)地針對保護(hù)層氮化硼和它下面的石墨烯層進(jìn)行自主樣式設(shè)計(jì)。這些小孔的直徑約為20納米，每個(gè)孔的間距也僅有12納米。每個(gè)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(jì)將使得通過這樣小尺寸石墨烯器件的電流比目前所能達(dá)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(jì)控制其性能表現(xiàn)。不過，當(dāng)我們控制能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，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(jì)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(xiàng)工作證明，我們可以電腦中對電子器件進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)或樣式的設(shè)計(jì)，或進(jìn)行一些創(chuàng)新，然后即可在實(shí)驗(yàn)室通過實(shí)踐去實(shí)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(jìn)行納米光刻的研究，這是非?？上У模?yàn)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(xiàng)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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