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突破！《Nature》子刊：新技術有望解決石墨烯無帶隙難題！

2019-02-21 12:09:44 作者：本網整理來源：石墨烯資訊分享至：

石墨烯是理想的制備未來傳輸速度更快、體積更小、更節能的電子元件的理想材料，但是由于沒有帶隙，設計石墨烯的電氣特性非常困難，現在，一個科學家團隊已經解決了這個問題。近期他們的研究成果發表在《NatureNanotechnology》上。

背景

近15年來，科學家們一直試圖利用“奇跡材料”石墨烯來生產納米級電子器件。理論上看來，石墨烯應該是非常理想的：它是超薄的 - 只有一個原子厚度，它是二維材料，非常適合傳導電流，所有這些特點表明石墨烯是理想的制備未來傳輸速度更快、體積更小、更節能的電子元件的理想材料，而且另一大優勢是制備石墨烯的原料理論上可以無限供應。

理論上，石墨烯可以通過切割微小的圖案來完成電子、光子學或傳感器等許多不同的任務，因為這從根本上改變了它的量子特性。然而，一個“簡單”的任務，已經證明是令人驚訝的困難：在石墨烯上產生一個帶隙-這是制造晶體管和光電子器件的關鍵。然而，由于石墨烯只是一個原子厚度，所有的原子都很重要，即使是圖案中的微小不規則也會破壞它的性質。

“石墨烯是一種非常棒的材料，我認為它將在制造新的納米級電子產品中起到至關重要的作用。問題是設計石墨烯的電氣特性非常困難，”德國物理學教授PeterB?ggild說。

奧爾堡大學石墨烯研究中心成立于2012年，專門研究石墨烯的電性能如何通過極小的尺寸改變其形狀來定制。在實際模擬石墨烯時，來自DTU和奧爾堡的研究團隊經歷了與全球其他研究人員相同的經歷：這是行不通的。

“當使用石墨烯這樣的材料設計電路時，是為了以一種可控的方式改變它的特性-與你的設計相匹配。然而，我們多年來所看到的是，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，使它不再表現出石墨烯的優異性能。這有點像制造水管，因為工藝不好，水管內部部分堵住了。從外面，它可能看起來很好，但水不能在其中自由流動。對于電子產品來說，這顯然是災難性的，”PeterB?ggild說。

成果介紹

現在，一個科學家團隊已經解決了這個問題。近期他們的研究成果發表在《NatureNanotechnology》上。DTU Physics的兩個博士后，首先將石墨烯封裝在另一個二維材料- 六角形氮化硼中，這是一種非導電材料，通常用于保護石墨烯的特性。接下來，他們使用一種稱為電子束光刻的技術，用一系列密集的超小孔仔細地對下面的氮化硼和石墨烯保護層進行圖案化。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道的近似尺寸的要多1000倍。

“我們已經證明我們可以控制石墨烯的能帶結構，并設計它應該如何表現。當我們控制能帶結構時，我們可以獲得石墨烯的所有特性 - 我們驚訝地發現，一些最微妙的量子電子效應能夠存活下來。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計組件和設備 - 或者想出一些全新的東西 - 然后去實驗室并在實踐中實現它們，”PeterB?ggild說道。

“許多科學家早就放棄了在石墨烯中進行納米光刻的研究，這是非常可惜的，因為納米結構是開發石墨烯電子和光子學最激動人心的特征的關鍵工具。現在我們已經弄清楚它是如何完成的可以說詛咒被解除了。還有其他挑戰，但事實上我們可以定制石墨烯的電子特性，這是朝著創造尺寸極小的新電子產品邁出的一大步，”PeterB?ggild說。

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責任編輯：韓鑫