【重磅】基于石墨烯的纳米级电子器件取得新突破

近日，包括 Science Daily，phys.org 在内的多家媒体报道，丹麦研究人员最近刚解决了制造以石墨烯为基础的有效纳米电子器件的最大挑战之一：在不破坏石墨烯电气性能的情况下，在上面“雕刻”纳米级小孔。这一研究成果表明，未来电子学所需的量子传输特性在缩小到10纳米尺寸的情况下可继续存在。

图片来源：Carl Otto Moesgaard

15年来，科学家们一直试图利用“奇迹材料”石墨烯来生产纳米级电子器件。从理论上来说，石墨烯应该是非常理想的：它超薄 - 只有一个原子厚度。因此石墨烯是二维的，非常适合传导电流，是未来制备传输速度更快、体积更小、更节能的电子器件的理想材料。而且，石墨烯由碳原子组成，而碳原子可以说是取之不尽的。

理论上，可以通过在石墨烯内部切割微小图案来改变其量子性质，从而使其在电子、光子学或传感器领域完成许多不同的任务。

然而，有一项很“简单”的任务，但是执行起来却出人意料地困难，那就是诱导产生对晶体管和光电器件的制造至关重要的能带隙。而且，由于石墨烯只有一个原子那么厚，因此构成石墨烯的所有原子都很重要，即使绘制图案时出现很微小的不整齐，也会破坏石墨烯的性质。

“石墨烯是一种非常棒的材料，我认为它将在制造新的纳米级电子产品中起到至关重要的作用。问题是设计电气特性非常困难，”

丹麦技术大学(DTU)物理学教授Peter Bøggild说。

失败

位于丹麦技术大学和奥尔堡大学的纳米结构石墨烯中心是专门研究如何设计石墨烯，比如将石墨烯制备出非常精细的孔型结构，这将微妙改变石墨烯中电子的量子性质，从而使石墨烯的性质得以调整。然而，丹麦技术大学和奥尔堡的研究团队也同世界各地的其他研究人员一样：失败。

“当使用石墨烯这样的材料上设计电路时，是为了以一种可控的方式改变其性质来配合你的设计意图。然而，这些年的情况是，我们可以制备出这些孔，但同时也会引入大量缺陷和污染，使石墨烯不再具有石墨烯优异的性质。就比如制造水管，由于工艺粗糙，导致水管的流速很低，虽然从外表上看，水管可能看起来不错。但是对于电子产品来说，这样显然会带来灾难性后果。“

Peter Bøggild说。

成功

现在，该科学家团队已经解决了这个问题，论文已发表在 Nature Nanotechnology。来自丹麦技术大学物理系的博士后 Bjarke Jessen和Lene Gammelgaard，首先将石墨烯封装在另一种二维材料六方氮化硼(hexagonal boron nitride)中。这是一种非导电材料，通常用于保护石墨烯的性能。

接下来，他们使用电子束刻蚀技术，在氮化硼和石墨烯的保护层下面小心制备出一排致密的超小孔。这些孔的直径约为20纳米，两孔间隔仅12纳米，而这些孔边缘的粗糙度小于1纳米，在这样小的石墨烯结构中，现在导电能力比之前报道过的大了 1000倍。

Peter 说：“我们已经证明，我们可以控制石墨烯的能带结构，并且设计出它的作用方式。当我们控制这些能带结构的时候，我们可以获得石墨烯的所有性质——令我们惊讶的是，一些最细微的量子电子效应在密集的小孔图案下依然存在——这非常鼓舞人心。这项工作表明，我们可以坐在电脑前设计组件和设备或者制造全新的产品，然后去实验室在实践中检验它们。”

Peter 继续说：“许多科学家已经早就放弃了这种尺度上的石墨烯纳米刻蚀技术，这真是一个遗憾…因为纳米结构是研发石墨烯电子和光子学最优异特性的关键工具。现在我们已经知道怎么做了，也可以说“诅咒”已经解除了。即便未来还有很多挑战，但是现在我们可以说在制造尺寸极小的新电子产品的征途上迈出了一大步。”

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