丹麥研究人員最近剛解決了以石墨烯為基礎(chǔ)制造有效納米電子器件的最大挑戰(zhàn)之一：在不破壞石墨烯電氣性能的情況下，在上面“雕刻”納米級小孔。這樣可以讓石墨烯獲得比以前這類結(jié)構(gòu)所達到的數(shù)量級更高的電流。這一成果表明，未來電子學(xué)所需的量子傳輸特性在縮小到10納米尺寸的情況下繼續(xù)存在。
15年來，科學(xué)家們一直試圖利用石墨烯這種“神奇的材料”來制造納米級電子產(chǎn)品。理論上，石墨烯的偉大之處在于：它超級薄——只有一個原子那么厚。因此石墨烯是二維結(jié)構(gòu)，非常適合導(dǎo)電，應(yīng)該是制造未來更快、更節(jié)能的電子產(chǎn)品的理想材料。此外，石墨烯由碳原子組成，而碳原子可謂是取之不盡。
理論上，可以通過在石墨烯內(nèi)部繪制微小圖案來改變其量子性質(zhì)，從而使其在電子學(xué)、光子學(xué)或傳感器領(lǐng)域完成許多不同的任務(wù)。有一項很“簡單”的任務(wù)，但是執(zhí)行起來卻出人意料地困難，那就是誘導(dǎo)產(chǎn)生對晶體管和光電器件的制造至關(guān)重要的能帶隙。然而，由于石墨烯只有一個原子那么厚，因此構(gòu)成石墨烯的所有原子都很重要，即使繪制圖案時出現(xiàn)很微小的不整齊，也會破壞石墨烯的性質(zhì)。
丹麥技術(shù)大學(xué)(DTU)物理學(xué)教授彼得(Peter B??ggild)說道：“石墨烯太不可思議了，我覺得它將在制造新型納米電子產(chǎn)品中發(fā)揮關(guān)鍵作用。但問題在于，電氣性能設(shè)計起來相當困難。”
位于丹麥技術(shù)大學(xué)和奧爾堡大學(xué)(Aalborg University)的納米結(jié)構(gòu)石墨烯中心(Center for Nanostructured Graphene)成立于2012年，該中心專門研究如何設(shè)計石墨烯的性質(zhì)，比如將石墨烯制備出非常精細的孔型結(jié)構(gòu)，這將微妙改變石墨烯中電子的量子性質(zhì)，從而使石墨烯的性質(zhì)得以調(diào)整。然而，丹麥技術(shù)大學(xué)和奧爾堡的研究團隊也沒能免俗，同世界各地的其他研究人員一樣，他們經(jīng)歷了失敗。
彼得說：“當你在石墨烯這樣的材料上繪制圖案時，是為了以一種可控的方式改變其性質(zhì)以配合你的設(shè)計意圖?！比欢?，這些年的情況是，我們可以制備出這些孔，但同時也會引入大量無序和污染，使石墨烯不再具有石墨烯特有的性質(zhì)。就比如制造水管時，由于工藝粗糙，所以水管的流速很低。雖然從外表上看，水管可能看起來不錯。但是對于電子產(chǎn)品來說，這樣顯然會帶來災(zāi)難性后果?！?/p>
不過現(xiàn)在，該科學(xué)家小組已經(jīng)解決了這個問題。比亞克·耶森(Bjarke Jessen)和琳恩(Lene Gammelgaard)是丹麥技術(shù)大學(xué)物理系的博士后，他們首先將石墨烯封裝在另一種非導(dǎo)電二維材料六方氮化硼(hexagonal boron nitride)中。通常用六方氮化硼來保護石墨烯的性能。
接下來，他們使用電子束刻蝕這一技術(shù)，在氮化硼和石墨烯的保護層下面小心制備出一排致密的超小孔。這些孔的直徑約為20納米，兩孔間隔僅12納米。即使這樣，孔邊緣的粗糙度也小于1納米，也就是十億分之一米。在這樣小的石墨烯結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)在電流流量比之前報道過的大1000倍，也就是說其導(dǎo)電能力提高了1000倍。
彼得說道：“我們已經(jīng)證明，我們可以控制石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)，并設(shè)計出它的作用方式。”當我們控制能帶結(jié)構(gòu)時，我們就能獲得石墨烯的所有性質(zhì)——令我們驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)一些最細微的量子電子效應(yīng)在密集的小孔圖案下依然存在——這非常鼓舞人心。這項工作表明，我們可以坐在電腦前設(shè)計組件和設(shè)備或者創(chuàng)造全新的產(chǎn)品，然后去實驗室在實踐中檢驗它們?！?/p>
他繼續(xù)道：“納米結(jié)構(gòu)是開發(fā)利用石墨烯電子學(xué)和光子學(xué)最令人興奮的特性的關(guān)鍵工具，但是許多科學(xué)家早就放棄了這種規(guī)模的石墨烯納米刻蝕技術(shù)，這令人倍感遺憾?，F(xiàn)在我們已經(jīng)知道怎么做了，可以說“詛咒”已經(jīng)解除了。前路漫漫，未來還有很多挑戰(zhàn)。但是現(xiàn)在我們可以改造石墨烯的特性，這說明我們在創(chuàng)造尺寸極小的新電子產(chǎn)品的征途上邁出了一大步?！?
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