寻找石墨烯电子产品的突破

来自丹麦的一个研究小组解决了制造基于石墨烯的有效纳米电子学的最大挑战之一。

15年来，科学家们一直试图利用“神奇材料”石墨烯来生产纳米电子产品。从理论上讲，石墨烯很适合这样做：它是超薄的，只有一个原子厚，因此是二维的，非常适合传导电流，并且对未来更快、更节能的电子产品形式有很大的希望。此外，石墨烯由碳原子组成，我们有无限的供应。

理论上，只要在石墨烯中切割微小的图案，就可以改变石墨烯来执行许多不同的任务，例如电子、光子学或传感器，因为这从根本上改变了它的量子性质。一个“简单”的任务，已经被证明是令人惊讶的困难，是诱导一个带隙，这是制造晶体管和光电器件的关键。然而，由于石墨烯只是一个原子厚度，所以所有的原子都很重要，即使是图案中微小的不规则也会破坏它的性能。

石墨烯是一种神奇的材料，我认为它将在制造新的纳米电子产品中起到至关重要的作用。问题是要设计出电性能是非常困难的，”DTU物理教授Peter B_ggild说。

DTU和奥尔堡大学的纳米结构石墨烯中心成立于2012年，专门研究如何通过在极小范围内改变石墨烯的形状来调整其电性能。当实际制作石墨烯时，来自DTU和奥尔堡的研究小组和世界各地的其他研究人员经历了同样的经历：它没有起作用。

“当你在像石墨烯这样的材料中制作图案时，你这样做是为了以一种可控的方式改变它的属性，以符合你的设计。然而，我们多年来所看到的是，我们可以制造出这些洞，但不引入如此多的无序和污染，它就不再像石墨烯那样行为。这有点类似于制造一个水管，由于制造不善而部分堵塞。在外面，它看起来很好，但水不能自由流动。对于电子产品来说，这显然是灾难性的，”彼得•B•吉尔德说。

现在，科学家小组已经解决了这个问题。研究结果发表在《自然纳米技术》上。来自DTU物理的两位博士后，比亚克·杰森和莱恩·甘美尔加德，首先将石墨烯封装在另一种二维材料六角形氮化硼中，这种非导电材料通常用于保护石墨烯的性能。

接下来，他们使用一种称为电子束光刻的技术，仔细地在下方的氮化硼和石墨烯保护层上画出一排致密的超小孔。这些孔的直径约为20纳米，它们之间只有12纳米，但是孔边缘的粗糙度小于1纳米，或者说是十亿分之一米。这使得电流比在这种小石墨烯结构中报告的要多1000倍。不仅如此。

“我们已经证明，我们可以控制石墨烯的带结构，并设计出它应该如何工作。当我们控制能带结构时，我们可以接触到石墨烯的所有性质，我们惊讶地发现，一些最微妙的量子电子效应在密集的图案中幸存下来，这是非常令人鼓舞的。我们的工作表明，我们可以坐在电脑前，设计组件和设备，或者梦想出全新的东西，然后去实验室，在实践中实现它们。他继续说：

许多科学家早就放弃了这种规模的石墨烯纳米光刻技术的尝试，这是非常遗憾的，因为纳米结构是开发石墨烯电子学和光子学最令人兴奋的特性的关键工具。现在我们已经知道了怎么做了，可以说诅咒已经解除了。还有其他的挑战，但事实上，我们可以定制石墨烯的电子特性，这是朝着创造具有极小尺寸的新电子产品迈出的一大步，”Peter B_ggild说。