電子束光刻出控制石墨烯電子“顏色”的器件
發布時間：2016/9/6 訪問人數：1213次
OFweek激光網訊：一種由雙層石墨烯——一種六邊形排列的碳原子薄層——制成的器件，提供了控制電子動量的實驗證據，和提供了一條通向可能比標準的CMOS晶體管需要更少的能量和放出更少的熱的電子器件的途徑。這是向一個被稱為谷電子的新物理領域前進的一步。
“目前的硅基晶體管器件依靠電子的電荷來開關器件，但是許多實驗室正在尋找基于別的變量來操縱電子的新的方式，這些變量被稱為自由度，”該研究的主導者Jun Zhu說，他是賓州州立大學物理學助理教授。“電荷是其中一個自由度。電子自旋是另一個自由度，而被稱為自旋電子學的基于自旋而制作晶體管的能力還處于開發階段。電子的第三個自由度是電子的谷狀態，其基于與它們的動量相關的能量。”
Zhu說，可以將電子想象成汽車，將谷狀態當成紅色或藍色等車的顏色，作為一種區別它們的方式。在雙層石墨烯的薄層中，電子通常會同時占據紅色和藍色的谷狀態，并會向所有的方向運動。而她的博士生Jing Li所研究的這個器件可以讓紅車沿著一個方向運動，而藍車沿著相反的方向運動。
“Jing制作的這個系統在雙層石墨烯薄片的上下放置了一對門電路。然后他施加了一個垂直于平面的電場，”Zhu說。
“通過在一面施加一個正電壓和在另一面施加一個負電壓，在雙層石墨烯之中就打開了一個帶隙，而這通常是沒有的。在這兩面之間的中間位置，我們保留了一個大約70納米的物理間隙，”Li解釋說。
電子束光刻出控制石墨烯電子“顏色”的器件
這是在這個實驗中所使用的器件的一幅掃描電子顯微鏡圖像。石墨烯與六方氮化硼的薄層被堆疊在一起，然后用電子束光刻制成該器件。紫色層是雙層石墨烯片。底下分開的門電路對(黑色方塊)是由多層石墨烯制成。頂面分開的門電路對(金色方塊)是由金制成。該一維線存在于分開的門電路形成的間隙內。
在這個間隙內存在著一維的金屬狀態，或金屬線，其是進行了顏色編碼的電子高速路。在這些路上，紅車沿著一個方向運動，而藍車沿著相反的方向運動。理論上，帶顏色的電子可以在很小的電阻下幾乎不受阻礙地沿著電線飛行很長的距離。小電阻意味著電子器件的消耗的功率更低和產生的熱量更少。在當今的小型化器件中的功率消耗和熱管理都是一個挑戰。
“我們的實驗表明，金屬線是可以被制造出來的，”Li說。“雖然我們距離實際的應用還有很長的路要走。”
Zhu補充說：“僅僅使用幾個門電路就可以在絕緣的雙層石墨烯片內部產生這樣的狀態是非比尋常的。它們還不是完全無阻抗，我們正在做更多的實驗來了解阻抗可能來自何處。我們也試圖制造基于電子的顏色來控制電子流的閥門。這是一個被稱為谷電子的新的電子概念。”
Li與賓州州立大學納米加工實驗室的技術人員緊密合作來使該理論框架變成一個工作器件。
“頂部和底部的門電路的對準是至關重要的，這是一個不平凡的挑戰。賓州州立大學納米實驗室先進的電子束光刻能力使得Jing能夠制造出這個具有納米功能的新器件，”納米光刻工程師Chad Eichfeld說。
他們的題為《雙層石墨烯的門控拓撲導電通道》的論文發表在8月29日的《自然納米技術(Nature Nanotechnology)》雜志在線版上。其他作者包括中國科技大學的Ke Wang，Yafei Ren以及他們的導師Zenhua Qiao，他們進行了數值研究來模擬金屬線的行為。該實驗中所用的高質量六方氮化硼晶體來自日本國家材料科學研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。兩個本科學生，Kenton McFaul和Zachary Zern也對該研究做出了貢獻。
該研究的資金由美國海軍研究辦公室，美國國家科學基金會以及中國和日本的資助機構提供。來自Grove城市學院的訪問學生Kenton McFaul由一個美國國家科學基金(NSF)和國家納米技術基礎研究網絡(NNIN)授權的大學生研究實習計劃資助。Jun Zhu是賓州州立大學材料研究所二維層狀材料中心的一名成員。
