石墨烯基电子器件研究取得重大突破

背景

石墨烯，是由单层碳原子组成、具有蜂窝状结构的二维材料。

独特的结构为石墨烯带来了一系列卓越的特性：厚度仅为人类发丝直径的百万分之一，强度胜过钢铁百倍，导电性胜过铜，透光性也很好。同时，石墨烯是由自然界中广泛分布的碳元素组成，原料非常丰富。

理论上讲，石墨烯非常适用于制造未来更快更节能的纳米电子器件和光子器件。十五年来，科学家们一直在用这种“神奇材料”进行着这方面的探索。

理论上，在石墨烯中简单地剪切微小图案，就会从根本上改变其量子特性。因此，通过这种改变，石墨烯可以执行电子学、光子学、传感器等领域中的不同任务。为石墨烯引入“带隙”，对于晶体管和光电子器件来说非常重要。可是，这个看上去“简单”的任务，其实却是非常困难的。由于石墨烯只有一个原子的厚度，所有的碳原子都很重要，即使图案中存在细微的不规则，也会破坏其特性。

丹麦技术大学（DTU）物理系教授PeterBggild表示：“石墨烯是一种极好的材料，我认为它将在纳米器件制造中扮演关键角色。问题是，调整其电气特性是极度困难的事情。”

丹麦技术大学与奥尔堡大学的纳米结构化石墨烯中心成立于2012年，专门研究如何通过在极小尺度上改变石墨烯的形状来调整其电气特性。当实际刻画石墨烯时，来自丹麦技术大学与奥尔堡大学的研究团队经历了全世界范围的其他科研人员一样的失败。

PeterBggild表示：“当你在像石墨烯这样的材料中刻画图案时，你这么做是为了用一种可控方式改变其特性，从而匹配你的设计要求。可是，这些年来我们看到的却是，虽然我们可以制造出洞，却无法避免引入许多的混乱与污染，使材料变现得不再像石墨烯。这有点像，较差的制造技术造出的水管会出现部分阻塞。从外部看，它似乎是完好的，但是水却无法自由流动。对于电子器件来说，这显然是灾难性的。”

创新

近日，丹麦的科学家团队解决了这个问题。成果发表在《自然纳米技术（NatureNanotechnology）》期刊上。

技术

丹麦技术大学物理系的两名博士后BjarkeJessen和LeneGammelgaard首先将石墨烯封装到另外一种二维材料（六方氮化硼）中，六方氮化硼是一种非导电的材料，通常用于保护石墨烯的特性。

接下来，他们采用一项称为“电子束光刻”的技术，仔细地在氮化硼保护层和下面的石墨烯中，刻画出密集的超小洞阵列。这些洞的直径约为20纳米，间距仅为12纳米。可是，洞的边缘的粗糙程度小于1纳米（十亿分之一米）。在如此微小的石墨烯结构中，经过这种结构的电流可比之前报告的成果高千倍。

价值

PeterBggild表示：“我们展示了，我们可以控制石墨烯的能带结构，并设计其行为方式。当控制能带结构时，我们可以访问石墨烯所有的特性。而且我们发现，令我们吃惊的是，一些最微妙的量子电子效应在密集的光刻之后还存在，这是非常令人鼓舞的。我们的研究表明，我们可以坐在电脑前设计元件和设备，或者想象出全新的东西，然后回到实验室，在实践中实现它们。“

他继续说道：“在这个尺度上，许多科学家们放弃了在石墨烯中采用纳米光刻技术的尝试，这真是可惜，因为纳米结构化是探索石墨烯电子器件与光子器件最振奋人心的功能的一项关键工具。现在，我们已经搞清楚它是如何实现的；也许可以这么说，魔咒被解除了。虽然还有其他的挑战，但是能调整石墨烯的电子特性，标志着我们朝着创造尺寸极小的新型电子器件迈出了一大步。”