丹麦科学家成功在石墨烯上“雕刻”纳米级小孔,导电能力提高1000倍

日期:2019-02-25 / 人气: / 编辑:jutan / 来源:互联网

丹麦研究人员最近刚解决了以石墨烯为基础制造有效纳米电子器件的最大挑战之一:在不破坏石墨烯电气性能的情况下,在上面“雕刻”纳米级小孔。这样可以让石墨烯获得比以前这类结构所达到的数量级更高的电流。这一成果表明,未来电子学所需的量子传输特性在缩小到10纳米尺寸的情况下继续存在。

15年来,科学家们一直试图利用石墨烯这种“神奇的材料”来制造纳米级电子产品。理论上,石墨烯的伟大之处在于:它超级薄——只有一个原子那么厚。因此石墨烯是二维结构,非常适合导电,应该是制造未来更快、更节能的电子产品的理想材料。此外,石墨烯由碳原子组成,而碳原子可谓是取之不尽。

理论上,可以通过在石墨烯内部绘制微小图案来改变其量子性质,从而使其在电子学、光子学或传感器领域完成许多不同的任务。有一项很“简单”的任务,但是执行起来却出人意料地困难,那就是诱导产生对晶体管和光电器件的制造至关重要的能带隙。然而,由于石墨烯只有一个原子那么厚,因此构成石墨烯的所有原子都很重要,即使绘制图案时出现很微小的不整齐,也会破坏石墨烯的性质。

丹麦技术大学(DTU)物理学教授彼得(Peter Bggild)说道:“石墨烯太不可思议了,我觉得它将在制造新型纳米电子产品中发挥关键作用。但问题在于,电气性能设计起来相当困难。” 位于丹麦技术大学和奥尔堡大学(Aalborg University)的纳米结构石墨烯中心(Center for Nanostructured Graphene)成立于2012年,该中心专门研究如何设计石墨烯的性质,比如将石墨烯制备出非常精细的孔型结构,这将微妙改变石墨烯中电子的量子性质,从而使石墨烯的性质得以调整。

然而,丹麦技术大学和奥尔堡的研究团队也没能免俗,同世界各地的其他研究人员一样,他们经历了失败。 彼得说:“当你在石墨烯这样的材料上绘制图案时,是为了以一种可控的方式改变其性质以配合你的设计意图。”然而,这些年的情况是,我们可以制备出这些孔,但同时也会引入大量无序和污染,使石墨烯不再具有石墨烯特有的性质。

就比如制造水管时,由于工艺粗糙,所以水管的流速很低。虽然从外表上看,水管可能看起来不错。但是对于电子产品来说,这样显然会带来灾难性后果。” 不过现在,该科学家小组已经解决了这个问题。比亚克·耶森(Bjarke Jessen)和琳恩(Lene Gammelgaard)是丹麦技术大学物理系的博士后,他们首先将石墨烯封装在另一种非导电二维材料六方氮化硼(hexagonal boron nitride)中。通常用六方氮化硼来保护石墨烯的性能。 接下来,他们使用电子束刻蚀这一技术,在氮化硼和石墨烯的保护层下面小心制备出一排致密的超小孔。这些孔的直径约为20纳米,两孔间隔仅12纳米。

即使这样,孔边缘的粗糙度也小于1纳米,也就是十亿分之一米。在这样小的石墨烯结构中,现在电流流量比之前报道过的大1000倍,也就是说其导电能力提高了1000倍。 彼得说道:“我们已经证明,我们可以控制石墨烯的能带结构,并设计出它的作用方式。”当我们控制能带结构时,我们就能获得石墨烯的所有性质——令我们惊讶的是,我们发现一些最细微的量子电子效应在密集的小孔图案下依然存在——这非常鼓舞人心。

这项工作表明,我们可以坐在电脑前设计组件和设备或者创造全新的产品,然后去实验室在实践中检验它们。” 他继续道:“纳米结构是开发利用石墨烯电子学和光子学最令人兴奋的特性的关键工具,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,这令人倍感遗憾。现在我们已经知道怎么做了,可以说“诅咒”已经解除了。前路漫漫,未来还有很多挑战。但是现在我们可以改造石墨烯的特性,这说明我们在创造尺寸极小的新电子产品的征途上迈出了一大步。”