在半导体器件上创建的人造石墨烯

在物理学和材料科学的重大突破中,研究人员首次在半导体器件中设计了人造石墨烯

哥伦比亚大学工程与应用科学学院的研究人员与普林斯顿大学和普渡大学的同事以及Istituto Italiano di Tecnologia一起实现了这一里程碑

通过在纳米尺度上错综复杂地操纵物质,该团队将石墨烯的独特2D电子结构蚀刻到称为砷化镓的半导体材料上

人造石墨烯已经在其他系统中得到证明,例如光学,分子和光子晶格,但半导体的突破为调制电子行为提供了更多的可能性

“这个里程碑定义了凝聚态物质科学和纳米加工领域的最新技术,”哥伦比亚工程公司应用物理和物理学教授,该研究的高级作者,在EurekAlert“半导体人造石墨烯”的新闻稿中说

设备可能是探索新型电子开关,具有卓越性能的晶体管,甚至可能是基于奇异量子力学状态存储信息的新方法的平台,“他补充道

石墨烯中的电子表现得像接近光速的粒子,赋予它们其他导体中不具备的电子的独特性质

自发现以来,科学家们不断尝试找出石墨烯可以改善现有技术的方法,并打开一个全新的高科技领域

石墨烯的二维状态和独特的碳原子原子排列为研究人员提供了一个测试传统材料系统中难以观察到的新量子现象的平台

石墨烯具有巨大的电子潜力

它是迄今发现的最具导电性的材料,形成了完美的屏障,甚至不允许氦气通过它

它比钢铁强200倍,透明,同时比人发更薄

世界上几乎每个行业都将从探索石墨烯的潜力中受益,并且将其修改后的版本蚀刻到半导体上会使这种材料的电子,通信和数据存储潜力达到全新的高度

绿色层代表电子可以移动的2-D薄片

纳米光刻和蚀刻形成小柱,其下面是以六边形晶格排列的量子点

底部的扫描电子显微照片显示六边形阵列,从顶部和一个角度仅有50纳米的周期

照片:哥伦比亚工程石墨烯的结构是刚性的

晶格中原子的位置总是固定的

这提供了一些实验性限制

但是,晶格可以在很宽的间距和配置上进行设计

这个属性赋予它多功能性

使用人造石墨烯,研究人员可以修改蜂窝晶格以调节电子行为

由于人造石墨烯中量子点之间的间距比天然石墨烯中的原子间距大得多,研究人员可以通过在其上施加磁场来观察更多的奇异量子现象

该团队使用由哥伦比亚工程师开发的现有工艺,该工艺涉及使用图案化的2D电子气体来诱导半导体上人工产生的晶格中的电子特性

研究人员使用传统的芯片设计技术来创建晶格

分层结构为电子移动创造了一条狭窄的路径

使用纳米光刻法,产生图案,使得电子被限制在六边形晶格中的横向方向上

通过使用距离小于50纳米的量子点,该团队在晶格中引发量子力学相互作用,类似于原子在固体中共享电子的方式

该团队使用激光探测结构中的电子晶格并测量散射的光,这有助于证明石墨烯就像电子特性一样

“散射光显示出能量损失,这种能量相应于电子能量从一种状态到另一种状态的转变

当他们绘制这些过渡图时,研究小组发现他们在所谓的“狄拉克点”周围以线性方式接近于零,其中电子密度消失,这是石墨烯的标志,“该研究发表在Nature Nanotehcnology期刊上

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