微米和纳米科技材料

研究人员在一个纳米化的半导体结构中实现了人造石墨烯

研究人员在一个纳米化的半导体结构中实现了人造石墨烯

上图所示蚀刻的柱子定义了量子点(红色标记)排列在六边形格子中的位置。当量子点之间的间距足够小时,电子就可以在它们之间移动。图片来源:哥伦比亚大学工程学院

来自哥伦比亚大学工程学院的在纳米尺度上操纵物质的专家研究人员,在物理学和材料科学方面取得了重大突破,最近在《自然纳米技术》上发表了相关研究论文。来自普林斯顿的Istituto Italiano di和普度大学的同事一起研究工作,通过重新的团队策划了“人造石墨烯”的制造,这是首次实现半导体器件中的石墨烯的电子结构。

“这为凝聚态科学与技术领域定义了一个国家的最先进的里程碑,”Aron Pinczuk说,他是哥伦比亚工程和研究的资深作者,应用物理学和物理学教授。“虽然人造石墨烯在光学、分子和光子晶格等其他系统中得到了证实,但这些平台缺乏半导体加工技术的多功能性和潜力。半导体人工石墨烯器件可能是探索新型电子开关、性能优越的晶体管的平台,甚至可能是基于奇异量子力学状态存储信息的新方法。”

在本世纪初,石墨烯的发现在物理学界产生巨大的兴奋,因为它不仅是一个真正的二维材料的第一个真实的实现,也因为在石墨碳原子独特的原子结构,可以用于测试新的量子现象,并且为很难在传统材料系统中的某些研究观察提供了一个平台。电子具有不寻常的电子性质,在散射之前,电子能走很远的距离,石墨烯是一种杰出的导体。这些特性还表现出其他的特性,使电子表现为它们是相对接近光的速度的相对论粒子,赋予它们“常规的”非相对论性电子没有的奇异性质。

但是石墨烯是一种天然物质,只有一种原子排列:石墨烯晶格中原子的位置是固定的,因此石墨烯上所有的实验都必须适应这些限制。另一方面,在人造石墨烯中,晶格可以在很宽的间距和结构上进行设计,使之成为凝聚态研究人员的“圣杯”,因为它具有比天然材料更广泛的性能。

“这是一个迅速发展的研究领域,我们发现了新的现象,这在之前还没曾出现过,”Shalom Wind说,他是应用物理系的教员,致力于应用数学的研究,且是论文的合著者。“当我们探索基于人造石墨烯的电气控制的新设备概念时,我们可以打开在先进光电子学和数据处理领域开拓前沿的潜力。”

上图中绿色层代表电子能移动的二维薄片。纳米光刻和刻蚀形成小柱子下面是安排在一个六角形晶格的量子点。底部的扫描电子显微照片显示六边形阵列,其周期只有50纳米。

这项工作真的是人造石墨烯的一大进步。自从第一个理论预测系统的类石墨烯的电子性质可以人为地创造和有图案的二维电子气的调整,但这种尝试还未能成功过,直到哥伦比亚工作,直接观察这些特点设计的半导体纳米结构,”Steven G. Louie说,他是伯克利加利福尼亚大学物理学的教授。“以前对分子、原子和光子结构的研究远远少于通用和稳定的系统。奈米半导体结构的开放探索是令人兴奋的新的科学和实际应用方面的巨大机遇。”

研究人员利用常规芯片技术开发了一种标准半导体材料镓砷化物中的人造石墨烯。他们设计了一种分层结构,使电子只能在很窄的范围内运动,从而有效地制造二维薄片。他们用光刻和蚀刻图案砷化镓:模式创建一个六边形格子的网站中的电子被限制在横向方向。通过放置这些可以被认为是“人造原子”的位置,足够接近彼此(相距50纳米),这些人造原子可以机械地相互作用,类似于原子在固体中共享电子的方式。

研究小组通过在晶格部分激发激光来探测人造晶格的电子态,并测量散射的光。散射光显示出能量损失,这相当于电子能量从一种状态到另一种状态的转换。当他们绘制这些跃迁图时,研究小组发现它们以线性的方式接近零,称为“狄拉克点”,在那里,电子密度消失,这是石墨烯的一个标志。

这种人造石墨烯比天然石墨烯有几个优点:例如,研究人员可以设计成蜂窝状晶格来调节电子行为。由于在天然石墨烯中量子点的间距远远大于原子间的间距,所以研究人员可以利用磁场来观察更奇特的量子现象。

发现新的低维度的材料,如石墨烯和其他超薄,层状范德瓦尔斯薄膜,可以表现出令人兴奋的新的物理现象,这在以前是无法实现的,这也奠定了这项研究的基础。我们的工作真是令人印象深刻的进步,将是纳米材料制备的关键,Pinczuk说。这些为我们提供了一个不断增长的工具箱,用于在纳米尺度上创造无数的高质量模式。这对于我们这种在物理学领域工作的研究人员来说,这个研究成果的显现是一个激动人心的时刻。

来源:httpss://phys.org/news/2017-12-artificial-graphene-nanofabricated-semiconductor.html

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