微米和纳米科技材料

电子器件小型化:石墨烯纳米带有望成为新一代方案

导读

最近,美国加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA )的化学家们开出一种新方法制造出石墨烯纳米带。科学家们相信这种新一代结构未来将应用于电子产品,助力电子器件小型化。

背景

硅,是一种非金属元素,也是一种半导体材料,它广泛应用于制作半导体器件和集成电路。它外表光泽而易碎,是构成现代电子器件的关键成分之一。但是随着电子器件变得越来越小,采用硅制造出微型电子元器件变得更具挑战性,且价格昂贵。

拿硅基晶体管来说,7纳米堪称物理极限。一旦晶体管尺寸低于7纳米,电子的行为将受限于量子不确定性,晶体管中电子很容易产生隧穿效应,晶体管变得不再可靠,芯片制造面临巨大挑战。

为了面对这个挑战,让摩尔定律可以继续保持生机与活力,产业界和科学界都在开始寻找新材料,目标就是取代硅,生产出尺寸更小、性能更佳的电子元器件。据笔者之前介绍,这些新材料包括:纳米碳管和二硫化钼、黑磷、石墨烯、二硒化钨等等。

其中,最受广泛关注的当然是:石墨烯。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,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。

电子器件小型化:石墨烯纳米带有望成为新一代方案

(图片来源:Tatiana Shepeleva/Shutterstock)

石墨烯是一种导电材料,但是要发挥其半导体功能,还需要将它变成纳米带状,因为这样才会具有足够大的能量或者禁带宽度,从而成为纳米晶体管的关键组件。

前不久,笔者介绍过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合作制造出宽度仅1纳米,长度50纳米的石墨烯纳米带,并制成只有几个原子宽度的纳米晶体管。

电子器件小型化:石墨烯纳米带有望成为新一代方案

(图片来源:Empa)

创新

与上面介绍的研究案例相似,最近美国加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA )的化学家们又开发了一种新方法,制造出石墨烯纳米带。科学家们相信这种下一代结构,未来将应用于电子产品。

电子器件小型化:石墨烯纳米带有望成为新一代方案

(图片来源: Yves Rubin)

这项研究在线发表于《美国化学会杂志》(American Chemical Society)。

技术

纳米带是非常狭窄的石墨烯带,它只有几个碳原子的宽度。美国加利福尼亚大学洛杉矶分校化学教授、该研究的首作者 Yves Rubin 表示,纳米带非常有用,因为它们具有能带隙(bandgap),这意味着电子必须经过“推动”才能穿越它们,产生电流。

他表示,在没有能带隙的材料中,电子会不受阻碍地通过,所以这些材料无法用于创造出半导体逻辑电路。

Rubin 及其研究团队,在600度高温下,采用基于紫外线的简单反应,一个分子接着一个分子地制造出石墨烯纳米带。

加利福尼亚大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所的成员 Rubin 表示,其他人无法实现这项技术。但是如果有人想要在工业规模构建这些分子,这项技术则显得非常重要。

这项工艺是在现有方法的基础上进行改善,创造出石墨烯纳米带。其中一方案是剪开的石墨烯管,即碳纳米管。Rubin 表示,这种特殊方法并不精准,制造出的纳米带尺寸不一致,然而纳米带的能带隙作用主要取决于它的宽度。

为了创造出合适的纳米带,科学家开始生长四种不同的无色分子晶体。晶体在完美的方位上锁住分子,并发生反应。然后,团队使用光线将分子缝合成聚合体,而聚合体是由重复的碳原子和氢原子单元组成的大结构。

然后,科学家们将具有光泽的深蓝色聚合物放进一个仅含有氩气的烤箱中,加热至600摄氏度。这个热量为聚合物形成最终的连接提供了必要的能量。这种连接让纳米带形成最终的形状:有碳原子组成的六边形环,在每个碳原子边上有氢原子。

Rubin 表示,他们从根本上碳化这些聚合物,但是他们是以一种可控方式进行操作的。

这个过程大概进行一个小时,生产出只有8个碳原子宽度、几千个原子长度的石墨烯纳米带。科学家们验证了纳米带的分子结构,该纳米带的颜色是深黑色并且具有光泽,并且向它们照射不同波长的光线。

Rubin 表示,我们观察了吸收的光线波长。它揭示出了该结构的鲜明特征和纳米带的组成。

研究人员为该工艺申请了一个专利。Rubin 表示,他们团队正在研究如何更好地控制纳米带,挑战在于它们倾向于粘在一起。现在,它们是纤维束,下一步将能够一个一个地控制每个纳米带。

价值

这项研究代表了石墨烯纳米带研究和制造工艺的最新进展,同时也代表了石墨烯半导体特性的研究又上了一个新台阶。未来,石墨烯纳米带有望应用于纳米电子领域和新一代电子产品。

关键字

石墨烯、电子、半导体

参考资料

【1】https://newsroom.ucla.edu/releases/ucla-chemists-synthesize-narrow-ribbons-of-graphene-for-next-generation-electronics

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