微米和纳米

纳米电子科学新突破:石墨烯纳米带制成晶体管

导读

瑞士联邦材料与测试国家实验室(Empa)与德国美因茨马克斯普朗克研究所、美国加州大学伯克利分校的研究人员展开合作,制造出了由石墨烯纳米带制成的纳米晶体管,它只有几个原子的宽度。

关键字

石墨烯、电子、晶体管

背景

石墨烯,是一种性能非常优秀的二维材料,具有单层碳原子组成的蜂窝状结构。其厚度仅有人类发丝直径的百万分之一,但强度却胜过钢铁百倍,导电性能却胜过铜,所以非常适合用于电子器件。

纳米电子科学新突破:石墨烯纳米带制成晶体管

石墨烯是一种导电材料,但是它也可以变成纳米带状的半导体。这意味着需要具有足够大的能量或者禁带宽度,其中没有电子态可以存在:它可以被打开或者关闭,使之变成纳米晶体管的关键组件。

创新

听上去有点像未来梦想,基于碳纳米结构的晶体管将在未来几年时长变为现实。瑞士联邦材料与测试国家实验室(Empa)的研究人员与位于德国美因茨进行聚合物研究的马克斯普朗克研究所、美国加州大学伯克利分校的研究人员展开合作制造出了由石墨烯纳米带制成的纳米晶体管,它只有几个原子的宽度。

纳米电子科学新突破:石墨烯纳米带制成晶体管

(图片来源:Empa)

技术

石墨烯纳米带原子结构中最细微的细节,对于晶体管组件的能带宽度大小以及纳米带的合适程度,产生了巨大的影响。从一方面说,能带宽度取决于石墨烯带的宽度;从另外一方面说,它取决于边缘的结构。由于石墨烯由等边六边形碳组成,边上会呈现出Z字形,或者扶手椅形,这取决于带的方向。具有Z字形边缘的能带会像金属一样导电;而具有扶手椅形状的能带会变成半导体。

这对于纳米带的生产带来了主要的挑战:如果纳米带通过切剪石墨烯层,或者通过剪切纳米管层制作,这些边缘将是不规则的,这样石墨烯纳米带将无法呈现出我们期望的电气特性。

现在,科学家们成功生长出只有9个原子宽度的带,具有规则的扶手椅形状边缘。为了达到这个目的,事先准备好的分子浓缩于超高的真空中。经过几个步骤之后,它们像拼图一样,在金基底上结合起来,形成期望的纳米带。该纳米带的宽度只有1纳米,长度为50纳米。

纳米电子科学新突破:石墨烯纳米带制成晶体管

(图片来源:Empa)

之前这些结构只能通过扫描式隧道显微镜看到,现在变得相对大一点,最重要地是,精准定义了能带宽度,这使得研究人员可以更进一步,将石墨烯带集成到纳米晶体管中。然而,开始的首次尝试并不是非常成功:测量显示,在“开”(施加电压)的状态和“关”(没有施加电压)的状态之间的电流差异非常小。问题是由于连接半导体层和电气开关触点的二氧化硅介电层而引起。为了获取想要的特性,它的厚度需达到50纳米,从而相应地影响电子行为。

然而,研究人员随后通过使用二氧化铪(HfO2)作为介电材料,取代二氧化硅,成功地大幅缩小了这一层。因此,这一层只有1.5纳米的厚度,而且“开”状态的电流提高了许多倍。

纳米电子科学新突破:石墨烯纳米带制成晶体管

(图片来源:参考资料【2】)

另外一个问题就是:将石墨烯纳米带合并到晶体管中。未来,石墨烯纳米带在晶体管基板上,不再呈现十字交叉型,而是沿着晶体管通道精准地对齐。这将显著降低目前无功能的纳米晶体管的高电平。

价值

石墨烯纳米带具有独特的电气特性,使之成为未来纳米电子领域非常有前途的候选材料。

此外,这项研究也代表着对于石墨烯电子和半导体特性研究的新突破,特别是在利用石墨烯制作晶体管方面,并且有利于用石墨烯开发出更多的半导体元器件。

参考资料

【1】httpss://www.empa.ch/web/s604/nanoribbons

【2】Juan Pablo Llinas, Andrew Fairbrother, Gabriela Borin Barin, Wu Shi, Kyunghoon Lee, Shuang Wu, Byung Yong Choi, Rohit Braganza, Jordan Lear, Nicholas Kau, Wonwoo Choi, Chen Chen, Zahra Pedramrazi, Tim Dumslaff, Akimitsu Narita, Xinliang Feng, Klaus Müllen, Felix Fischer, Alex Zettl, Pascal Ruffieux, Eli Yablonovitch, Michael Crommie, Roman Fasel, Jeffrey Bokor. Short-channel field-effect transistors with 9-atom and 13-atom wide graphene nanoribbons. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-00734-x

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