導(dǎo)讀：

近日，丹麥的一支科研團隊解決了高效石墨烯基納米電子器件制造所面臨的最大挑戰(zhàn)之一。

背景：

石墨烯，是由單層碳原子組成、具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維材料。

（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

近15年來，科學(xué)家們一直試圖利用“奇跡材料”石墨烯來生產(chǎn)納米級電子器件。理論上看來，石墨烯應(yīng)該是非常理想的：它是超薄的 - 只有一個原子厚度，它是二維材料，非常適合傳導(dǎo)電流，所有這些特點表明石墨烯是理想的制備未來傳輸速度更快、體積更小、更節(jié)能的電子元件的理想材料，而且另一大優(yōu)勢是制備石墨烯的原料理論上可以無限供應(yīng)。

理論上，石墨烯可以通過切割微小的圖案來完成電子、光子學(xué)或傳感器等許多不同的任務(wù)，因為這從根本上改變了它的量子特性。然而，一個“簡單”的任務(wù)，已經(jīng)證明是令人驚訝的困難：在石墨烯上產(chǎn)生一個帶隙-這是制造晶體管和光電子器件的關(guān)鍵。然而，由于石墨烯只是一個原子厚度，所有的原子都很重要，即使是圖案中的微小不規(guī)則也會破壞它的性質(zhì)。

“石墨烯是一種非常棒的材料，我認(rèn)為它將在制造新的納米級電子產(chǎn)品中起到至關(guān)重要的作用。問題是設(shè)計石墨烯的電氣特性非常困難，”德國物理學(xué)教授PeterB?ggild說。

奧爾堡大學(xué)石墨烯研究中心成立于2012年，專門研究石墨烯的電性能如何通過極小的尺寸改變其形狀來定制。 在實際模擬石墨烯時，來自DTU和奧爾堡的研究團隊經(jīng)歷了與全球其他研究人員相同的經(jīng)歷：這是行不通的。

“當(dāng)使用石墨烯這樣的材料設(shè)計電路時，是為了以一種可控的方式改變它的特性-與你的設(shè)計相匹配。然而，我們多年來所看到的是，我們可以在石墨烯上蝕刻出電路，但不得不引入如此多的缺陷和污染，使它不再表現(xiàn)出石墨烯的優(yōu)異性能。這有點像制造水管，因為工藝不好，水管內(nèi)部部分堵住了。從外面，它可能看起來很好，但水不能在其中自由流動。對于電子產(chǎn)品來說，這顯然是災(zāi)難性的，“PeterB?ggild說。

石墨烯光電晶體管（圖片來源：Erin Easterling/普渡大學(xué)）石墨烯生物傳感器芯片(圖片來源：加州大學(xué)圣迭戈分校 )石墨烯材料的未來應(yīng)用（圖片來源：石墨烯旗艦項目）

創(chuàng)新

近日，丹麥的科學(xué)家團隊解決了這個問題。成果發(fā)表在《自然納米技術(shù)（Nature Nanotechnology）》期刊上。

（圖片來源：DTU）

技術(shù)

丹麥技術(shù)大學(xué)物理系的兩名博士后 Bjarke Jessen 和 Lene Gammelgaard 首先將石墨烯封裝到另外一種二維材料（六方氮化硼）中，六方氮化硼是一種非導(dǎo)電的材料，通常用于保護石墨烯的特性。

接下來，他們采用一項稱為“電子束光刻”的技術(shù)，仔細(xì)地在氮化硼保護層和下面的石墨烯中，刻畫出密集的超小洞陣列。這些洞的直徑約為20納米，間距僅為12納米?？墒牵吹倪吘壍拇植诔潭刃∮?納米（十億分之一米）。在如此微小的石墨烯結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過這種結(jié)構(gòu)的電流可比之前報告的成果高千倍。

（圖片來源：參考資料【2】）

價值

Peter Bggild 表示：“我們展示了，我們可以控制石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)，并設(shè)計其行為方式。當(dāng)控制能帶結(jié)構(gòu)時，我們可以訪問石墨烯所有的特性。而且我們發(fā)現(xiàn)，令我們吃驚的是，一些最微妙的量子電子效應(yīng)在密集的光刻之后還存在，這是非常令人鼓舞的。我們的研究表明，我們可以坐在電腦前設(shè)計元件和設(shè)備，或者想象出全新的東西，然后回到實驗室，在實踐中實現(xiàn)它們?！?/p>

他繼續(xù)說道：“在這個尺度上，許多科學(xué)家們放棄了在石墨烯中采用納米光刻技術(shù)的嘗試，這真是可惜，因為納米結(jié)構(gòu)化是探索石墨烯電子器件與光子器件最振奮人心的功能的一項關(guān)鍵工具?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)搞清楚它是如何實現(xiàn)的；也許可以這么說，魔咒被解除了。雖然還有其他的挑戰(zhàn)，但是能調(diào)整石墨烯的電子特性，標(biāo)志著我們朝著創(chuàng)造尺寸極小的新型電子器件邁出了一大步?！?/p>