解决高效石墨烯基纳米电子器件制造所面临的最大挑战之一

导读：

近日，丹麦的一支科研团队解决了高效石墨烯基纳米电子器件制造所面临的最大挑战之一。

背景：

石墨烯，是由单层碳原子组成、具有蜂窝状结构的二维材料。

（图片来源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

近15年来，科学家们一直试图利用“奇迹材料”石墨烯来生产纳米级电子器件。理论上看来，石墨烯应该是非常理想的：它是超薄的 - 只有一个原子厚度，它是二维材料，非常适合传导电流，所有这些特点表明石墨烯是理想的制备未来传输速度更快、体积更小、更节能的电子元件的理想材料，而且另一大优势是制备石墨烯的原料理论上可以无限供应。

理论上，石墨烯可以通过切割微小的图案来完成电子、光子学或传感器等许多不同的任务，因为这从根本上改变了它的量子特性。然而，一个“简单”的任务，已经证明是令人惊讶的困难：在石墨烯上产生一个带隙-这是制造晶体管和光电子器件的关键。然而，由于石墨烯只是一个原子厚度，所有的原子都很重要，即使是图案中的微小不规则也会破坏它的性质。

“石墨烯是一种非常棒的材料，我认为它将在制造新的纳米级电子产品中起到至关重要的作用。问题是设计石墨烯的电气特性非常困难，”德国物理学教授PeterBøggild说。

奥尔堡大学石墨烯研究中心成立于2012年，专门研究石墨烯的电性能如何通过极小的尺寸改变其形状来定制。 在实际模拟石墨烯时，来自DTU和奥尔堡的研究团队经历了与全球其他研究人员相同的经历：这是行不通的。

“当使用石墨烯这样的材料设计电路时，是为了以一种可控的方式改变它的特性-与你的设计相匹配。然而，我们多年来所看到的是，我们可以在石墨烯上蚀刻出电路，但不得不引入如此多的缺陷和污染，使它不再表现出石墨烯的优异性能。这有点像制造水管，因为工艺不好，水管内部部分堵住了。从外面，它可能看起来很好，但水不能在其中自由流动。对于电子产品来说，这显然是灾难性的，“PeterBøggild说。

石墨烯光电晶体管（图片来源：Erin Easterling/普渡大学）石墨烯生物传感器芯片(图片来源：加州大学圣迭戈分校 )石墨烯材料的未来应用（图片来源：石墨烯旗舰项目）

创新

近日，丹麦的科学家团队解决了这个问题。成果发表在《自然纳米技术（Nature Nanotechnology）》期刊上。

（图片来源：DTU）

技术

丹麦技术大学物理系的两名博士后 Bjarke Jessen 和 Lene Gammelgaard 首先将石墨烯封装到另外一种二维材料（六方氮化硼）中，六方氮化硼是一种非导电的材料，通常用于保护石墨烯的特性。

接下来，他们采用一项称为“电子束光刻”的技术，仔细地在氮化硼保护层和下面的石墨烯中，刻画出密集的超小洞阵列。这些洞的直径约为20纳米，间距仅为12纳米。可是，洞的边缘的粗糙程度小于1纳米（十亿分之一米）。在如此微小的石墨烯结构中，经过这种结构的电流可比之前报告的成果高千倍。

（图片来源：参考资料【2】）

价值

Peter Bggild 表示：“我们展示了，我们可以控制石墨烯的能带结构，并设计其行为方式。当控制能带结构时，我们可以访问石墨烯所有的特性。而且我们发现，令我们吃惊的是，一些最微妙的量子电子效应在密集的光刻之后还存在，这是非常令人鼓舞的。我们的研究表明，我们可以坐在电脑前设计元件和设备，或者想象出全新的东西，然后回到实验室，在实践中实现它们。“

他继续说道：“在这个尺度上，许多科学家们放弃了在石墨烯中采用纳米光刻技术的尝试，这真是可惜，因为纳米结构化是探索石墨烯电子器件与光子器件最振奋人心的功能的一项关键工具。现在，我们已经搞清楚它是如何实现的；也许可以这么说，魔咒被解除了。虽然还有其他的挑战，但是能调整石墨烯的电子特性，标志着我们朝着创造尺寸极小的新型电子器件迈出了一大步。”