微米和纳米科技材料

人造石墨烯研制成功!或重新定义纳米制造工艺最高水平

人造石墨烯研制成功!或重新定义纳米制造工艺最高水平

导语:本世纪初时,石墨烯的发现在物理学界引起了巨大的反响。身为首个在现实世界里现身的二维材料,它很快就成为了科学家眼中的宠儿。但石墨烯作为一种天然物质,只有一种固定的原子排列,因此所有关于石墨烯的实验都必须适应这些约束条件。不过最近哥伦比亚大学的专家制成了性能更加优异的半导体“人造石墨烯”器件,完美的解决了这一问题。

人造石墨烯研制成功!或重新定义纳米制造工艺最高水平

图|传统石墨烯结构

石墨烯中碳原子独特的排列提供了一个可以测试传统材料中难以观察到的新量子现象的平台。凭借其不同寻常的电子属性:它的电子在散射之前可以经过很长的距离,石墨烯作为一种性能超凡的导体,这些属性还显示出其他独特的特性,使得电子就好像是接近光速的相对论粒子一样,具有非相对论性电子所不具备的奇异性质。但石墨烯晶格中原子的位置是固定的,相比之下,人造石墨烯中晶格的间距和配置可以在很大的区间内自由设定。这般强大的多功能特性使得人造石墨烯成为了凝聚态领域研究人员眼中的宝物。

这次研究是由哥伦比亚大学工程系专攻纳米级物质操纵方面的专家主导,通过与普林斯顿大学,普渡大学和意大利科技大学的同事合作,该团队首次重新设计了石墨烯在半导体器件中的电子结构,从而制造出了新型“人造石墨烯”。

人造石墨烯研制成功!或重新定义纳米制造工艺最高水平

图|蚀刻支柱就是指在六边形晶格排列中量子点(红色坑洼)的位置。当量子点之间的间距足够小时,电子可以在它们之间移动。(来源:Diego Scarabelli /哥伦比亚大学工程系)

哥伦比亚大学工程系应用物理和物理学教授,该研究的资深作者Aron Pinczuk说:“这个里程碑式的成就重新定义了凝聚态物质科学和纳米制造领域的最高水平。“虽然人造石墨烯已经被应用到了光学、分子和光子格等其他系统中,但这些平台缺乏半导体加工技术所能提供的多功能性。而半导体人造石墨烯器件可能成为探索新型电子开关、高性能晶体管、甚至量子态信息存储新方法的平台。

应用物理和应用数学系研究员,该研究的合著者Shalom Wind说:“这是一个迅速成长的研究领域,以前许多无法企及的新现象现在都已被发现。随着我们不断探索基于电控制人造石墨烯的新型器件,我们可以挖掘出石墨烯在光电和数据处理领域的更多潜力。”

“这项工作实际上是人造石墨烯技术的一大进步,之前的理论曾预测石墨烯类电子系统是经人工创建,并用图形化2D电子气调谐的。但一直到这次哥伦比亚大学的研究之前,还没有人成功在工程半导体纳米结构中成功观察到这些特性。“加州大学伯克利分校物理学教授Steven G. Louie说。“以前的分子,原子和光子结构实验仅能代表通用性和稳定性都很差的系统。这次的纳米半导体结构则为探索新科学及其实际应用提供了新的机会。

研究人员使用传统芯片技术中的工具,在标准的砷化镓材料半导体中开发人造石墨烯。他们设计了一个分层结构,以使电子只能在一个非常狭窄的层内移动,从而有效地创建一个2D层面。他们使用纳米光刻、蚀刻来刻画砷化镓:刻画后砷化镓产生了能将电子限制在横向方向的六边形晶格。通过将这些所谓的“人造原子”放置得彼此足够接近(相距50纳米左右),这些人造原子能够以量子力学的方式相互作用,这类似于原子在固体中共享其电子的方式。

人造石墨烯研制成功!或重新定义纳米制造工艺最高水平

图|绿色层代表电子可以在其中移动的2D层。纳米光刻和蚀刻形成了小柱子,在其下方的量子点排列成六边形晶格。在底部扫描电子显微照片就会显示六边形阵列,从顶部以一个特定角度来看,它的周长只有50纳米。(来源:Diego Scarabelli /哥伦比亚工程)

小组通过照射激光探测人造晶格的电子状态并测量散射光线。散射光能显示出电子从一个状态跳变到另一个状态后损失的能量。当他们把这些状态转变映射出来时,研究小组发现他们正在以接近“狄拉克点”(一种石墨烯的特征,在这个点电子密度会消失)的线性方式趋近于零。

这种人造石墨烯与天然石墨烯相比有很多优点:例如,研究人员可以通过调整蜂窝晶格来调节电子行为。而且由于量子点之间的间距比天然石墨烯中的原子间距要大得多,研究人员可以在磁场的作用下观察到更为奇特的量子现象。

石墨烯和其他新型低维材料(如超薄层状范德华薄膜等)的发现,为本研究奠定了基础。Pinczuk指出:“之前纳米加工技术的进步对本次我们的研究至关重要。这些先前的研究为我们提供了一个不断扩大的‘工具箱’,我们可以借此刻画出无数纳米尺度的高质量图案。毫不夸张地说,这次发现使我们这个领域的物理学家都倍感振奋。”

2010年的诺贝尔物理学奖将石墨烯带入了人们的视线,自发现以来,石墨烯就得到了广泛关注并取得了不断发展,但在现阶段的技术研发中扔面临着许多挑战,不过,这些挑战也是我们未来研究的肥沃土壤。如果说20世纪是硅的世纪,石墨烯则开创了21世纪的新材料纪元,将给世界带来实质性变化,我们相信石墨烯及其相关技术的前途一片光明。

——END


编译:褚茗帆

审阅:星亦

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