石墨烯和氮化硼“三明治”是新电子产品的关键。

石墨烯和氮化硼“三明治”是新电子产品的关键。

自诞生以来,科学家们一直试图利用石墨烯来生产纳米电子产品。然而,由于石墨烯只是一个原子厚度,所有的原子都暴露在外面,即使是少量的缺陷和杂质也会阻碍它的性能。现在,丹麦DTU的石墨烯旗舰研究人员通过六角氮化硼绝缘层(另一种具有绝缘性能的二维材料)来保护石墨烯,从而解决了这个问题。

石墨烯旗舰合作伙伴DTU的研究员兼论文的合著者Peter B_ggild解释说,尽管“石墨烯是一种神奇的材料,可以在制造新的纳米电子器件中发挥关键作用,但控制其电性能仍然非常困难。”自2010年以来,DTU的科学家们一直在尝试定制电子器件。石墨烯的特性,通过制造一种非常精细的孔来形成电力可以自由流动的通道。

“制造纳米结构的石墨烯变得非常困难,因为即使是很小的误差也会冲掉我们设计的石墨烯的所有特性,”B_ggild评论道。

现在,石墨烯旗舰合作伙伴DTU的研究人员取得了飞跃。比亚克·杰森和莱恩·甘美尔加德用另一种二维材料,六角形氮化硼封装了石墨烯,这种材料与石墨烯非常相似,但具有电绝缘性。然后,利用纳米光刻技术,他们在石墨烯中小心地钻取纳米孔,穿过氮化硼的保护层。这些孔的直径约为20纳米,彼此之间只有12纳米的距离。这种高精度使得通过石墨烯传输电流成为可能,这比石刻纳米石墨烯的典型数字高100-1000倍。

当你在像石墨烯这样的材料中制作图案时,你这样做是为了改变它的特性。然而,我们多年来所看到的是,当我们把石墨烯塑造成这样一个小尺度时,它不再表现得像石墨烯了——有太多的无序,”B_ggild解释说。他补充道:“许多科学家已经放弃了这种规模的石墨烯纳米光刻技术,但现在我们已经弄清楚了如何做到这一点——你可以说诅咒已经解除了。”

“我们已经证明,我们可以控制石墨烯的带结构,纳米电子学的确定性设计是现实的。单看电子学,这意味着我们可以制造绝缘体、晶体管、导体甚至超导体,因为我们的纳米光刻技术可以保留最近证明的导致双层石墨烯超导性的细微层间物理。然而,这远远超出了这个范围。当我们控制带结构时,我们可以访问石墨烯的所有性质。换言之,我们可以坐在电脑前,想象其他的应用程序,然后去实验室,让它们发生。他总结说:“有很多实际挑战,但我们可以定制石墨烯的电子特性,这是朝着创造尺寸极小的新电子产品迈出的一大步。”

石墨烯电子和光子学集成旗舰部门负责人丹尼尔·纽迈尔(Daniel Neumair)说:“通过纳米图案控制石墨烯的电子特性,为电子和光子器件的设计提供了更大的自由度,而这是迄今为止还无法达到的。”石墨烯旗舰合作伙伴DTU的研究人员和他们的同事现在发现了一种独特的石墨烯纳米图案制作方法,而没有看到图案制作的局限性引入了缺陷。这是在实际器件中使用石墨烯纳米图案化诱导的电子特性的关键步骤,我们期待着基于这些结果的纳米电子学和光子学的重大进展。”

石墨烯旗舰公司的科学技术官员、管理小组主席安德里亚·C·费拉里(Andrea C.Ferrari)补充道,“石墨烯的模式化创造纳米电子器件是第一批尝试将这种独特材料开发成器件的方法之一。”然而,在最初的一系列出版物之后,所造成的损害是如此之多,以至于这一系列的研究几乎完全被放弃了。这里的研究表明,旗舰的长期特性是如何让科学家们去寻找和解决甚至是表面上难以解决的问题的。这将重新激发人们对石墨烯纳米电子学的兴趣,并可能导致各种有用的设备,而这些设备以前受到缺陷的阻碍。”

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