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欧洲研究人员开发出由石墨烯纳米带制造的纳米晶体管
2017-12-06


[据物理学组织网站20171130日报道] 近期,瑞士联邦材料科学与技术实验室联合马克斯普朗克聚合物研究中心和加州大学伯克利分校,共同开发出由石墨烯纳米带构建的纳米晶体管,向实现下一代纳电子器件研发迈出重要一步。研究成果已发表于《自然通讯》杂志。



石墨烯的带状物,由于只有几个原子的宽度,因此常被称为石墨烯纳米带。它具有独特的电学特性,极有希望应用于未来纳米电子产品中。石墨烯由一层碳原子组成,是一种导电材料。但是,当石墨烯以纳米带的形式存在时却具有半导体的特性。这意味着石墨烯纳米带拥有足够大的能量和带隙(带隙中没有任何电子态存在),可以实现开启和关闭,因而成为制造纳米晶体管的关键构件。



然而,即使是这些石墨烯带原子结构中最微小的细节都可能对能带大小产生巨大的影响,因此石墨烯带的原子结构决定了它是否合适用于制造纳米晶体管。另一方面,带隙的大小还与石墨烯纳米带的宽度和纳米带的边缘结构相关。因为石墨烯由正六边形的碳原子环组成,因此其边缘一般会呈现之字形或者扶手椅形。具体是两者之中的哪一种构型取决于石墨烯带的方向。边缘呈之字形的石墨烯带性质更像金属,是导体,而边缘呈扶手椅形的石墨烯带具有半导体的特性。以上因素为石墨烯纳米带的生产带来了巨大的挑战。依靠切割石墨烯层和碳纳米管的方法得到的石墨烯纳米带的边缘很有可能是不规则的,这就会导致石墨烯纳米带显现不出所需的电学特性。



构建9个原子宽的半导体石墨烯纳米带



瑞士联邦材料科学与技术实验室(Empa)的研究人员与德国美因茨马克斯普朗克聚合物研究中心和加州大学伯克利分校的研究人员合作,成功从前驱体分子生长出具有扶手椅形边缘结构且宽度刚好9个原子的石墨烯纳米带。为生长出具有理想电学性能的纳米带,研究人员先在超高真空条件下将预先制备好的前驱体蒸发掉,然后,经过几个工艺步骤之后,这些分子就像拼图一样重新在金质基底上连接成所需形状的石墨烯纳米带。这些纳米带的宽度大约为1纳米,长度最大50纳米。



现在,这些只能通过扫描隧道显微镜进行观察的精细结构具有了相对较大的和可精确定义的带隙,使研究人员向利用石墨烯带集成纳米晶体管迈出了重要的一步。起初,其实这一步进展得并不十分顺利。研究人员通过测量结果发现,“开启”状态(施加电压时)和“关断”状态(不施加电压时)的电流差异太小。问题出现在用于连接半导体层和电开关接触的二氧化硅介电层上。为了实现所需的电学特性,需要理论介电层厚度达到50纳米,而这又会对电子行为产生巨大影响。为此,研究人员使用介电常数更大的二氧化铪代替二氧化硅作为介电层,从而较小了介电层的厚度,不至于对器件的电学特性产生影响。现在,介电层的厚度仅有1.5纳米,室温下开关电流比提高了好几个数量级,达到105水平。



另一个问题是如何将石墨烯纳米带集成到晶体管中。将来,石墨烯纳米带在晶体管衬底上不能再以十字交叉的形式排列,而应该沿着晶体管沟道进行精准的排列。这样才能大大减少非功能性纳米晶体管的数量,提高纳米晶体管的制造良率。(工业和信息化部电子第一研究所 
李铁成)



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