工程帶隙促進(jìn)石墨烯取代硅材料

工程帶隙促進(jìn)石墨烯取代硅材料

石墨烯可能是我們所知道的最好的電子導(dǎo)體。但是，作為一種純導(dǎo)體，它不能阻止電子的流動，比如半導(dǎo)體硅。硅產(chǎn)生電流開/關(guān)狀態(tài)的能力使它有可能創(chuàng)建用于計(jì)算的二進(jìn)制數(shù)字邏輯0和1。

盡管許多人認(rèn)為石墨烯幾乎已經(jīng)從依賴于電流開關(guān)的數(shù)字邏輯應(yīng)用程序中消失，但這并不妨礙研究人員找到設(shè)計(jì)石墨烯帶隙的方法，以便石墨烯能像半導(dǎo)體一樣工作。摩爾定律給硅片施加了太大的壓力。從各個(gè)方面尋找解決方案。

設(shè)計(jì)帶隙的問題是它們會破壞石墨烯的電子性能，這是石墨烯最有吸引力的方面，尤其是它的高導(dǎo)電性。

現(xiàn)在，哥倫比亞大學(xué)的一個(gè)研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種石墨烯基材料，這種材料在不犧牲其具有吸引力的電子性能的情況下具有顯著的帶隙。

根據(jù)發(fā)表在《自然》雜志上的一篇文章，哥倫比亞大學(xué)的研究人員利用稱為范德華力的原子尺度力，將不同的二維（2d）材料結(jié)合起來，創(chuàng)造了所謂的范德華（vdw）異質(zhì)結(jié)構(gòu)。研究人員對這些vdw-hete中的帶隙成因有了更深入的了解。結(jié)構(gòu)和如何修改二維層之間的堆棧以打開較大的帶隙。

研究人員用封裝在兩個(gè)絕緣氮化硼片之間的石墨烯組成的VDW異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。新技術(shù)是在這種層壓的二維材料上施加靜水壓力（均勻）。它們是用一種叫做活塞缸壓力傳感器的裝置實(shí)現(xiàn)的。

事實(shí)上，異質(zhì)結(jié)構(gòu)位于聚四氟乙烯杯的油浴中，杯處于加壓狀態(tài)，因此杯內(nèi)壓力均勻。哥倫比亞博士后研究科學(xué)家馬修·揚(yáng)科維茨解釋說。

這是這項(xiàng)研究中最重要的一點(diǎn)——多年來我們都知道，將不同的二維材料疊加在一起會產(chǎn)生新的電子特性，這與在任何單一材料中發(fā)現(xiàn)的不同，這種效應(yīng)來自相鄰材料層之間的電子耦合。Yankowitz說。壓力是現(xiàn)在應(yīng)用于調(diào)整層間電子耦合強(qiáng)度，從而通過控制兩層之間的緊密性來調(diào)整VDW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性能。

一般來說，為了使帶隙有效地阻止晶體管中的電流，電子伏（ev）的測量值，即不能通過材料傳輸?shù)碾娮幽芰康哪芰科琳希瑧?yīng)該比室溫下電子的熱波動的能量大得多。硅中的帶隙約為1.1eV，室溫波動約為0.025eV。

Yankowitz承認(rèn)，他們的新方法只能實(shí)現(xiàn)略高于0.05 eV的帶隙，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。但是，與以前的石墨烯/氮化硼VDW異質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，0.035eV的帶隙已經(jīng)顯著增加。盡管硅的1.1eV帶隙仍有很長的路要走，但Yankowitz相信這項(xiàng)研究是FIR。第一步。

我們的結(jié)果表明，通過施加更多的壓力，我們可以使帶隙變大。更重要的是，我們第一次更清楚地了解這種帶隙存在的原因，這有助于我們更有效地確定如何在沒有壓力的情況下增加帶隙。揚(yáng)科維茨說。

最近在西班牙的研究表明，石墨烯可以從下到上生長，因此開始給石墨烯一個(gè)類似于硅1.1ev的帶隙。

Yankowitz對這一系列的研究印象深刻，特別是當(dāng)他們報(bào)告他們已經(jīng)完成了一個(gè)基于室溫下工作的材料的概念驗(yàn)證裝置時(shí)。然而，Yankowitz指出，他們必須以犧牲材料的高電子質(zhì)量為代價(jià)，在石墨烯晶格中引入明顯的混淆。理想情況下，我們希望在保持原有的自由無序石墨烯晶格的同時(shí)，有一個(gè)較大的帶隙。我們的工作正朝這個(gè)方向發(fā)展，但不幸的是，帶隙仍然太小，不能用來制造一種可以在室溫下工作的器件，我們?nèi)绾巫龅竭@一點(diǎn)還不明顯。揚(yáng)科維茨說。在未來的研究中，揚(yáng)科維茨說他的同事們將測試其他具有理想電子性能的二維材料。通過混合和匹配二維材料，可以實(shí)現(xiàn)定制的電子性能，這將是未來工作的重點(diǎn)。Yankowitz補(bǔ)充說：我們的研究更普遍地表明，任意二維VDW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性能可以用Pressur調(diào)節(jié)。只要它們在某種程度上依賴于它們的層間相互作用耦合，這就為在這些二維VDW異質(zhì)結(jié)構(gòu)中利用壓力來制造和設(shè)計(jì)電子特性開辟了一條新的途徑，并應(yīng)使我們能夠誘導(dǎo)和/或控制新的器件特性，包括磁性和超導(dǎo)性。（張輝，第一電子研究所）工業(yè)和信息技術(shù)部）

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