新石墨烯生产工艺助力柔韧和透明电子产品

2013-11-06 09:55

　　哥伦比亚大学工程研究实验首次证明，可以从只有原子厚度的薄二维材料的一维边缘来进行电接触，而不是按照常规做法从其顶部接触。有了这样新的接触架构，研究人员已开发出一种新的层状材料组装工艺来防止接口污染。此外，使用石墨烯作为二维材料样品表明，这两种方法的结合会形成无污染石墨烯，该石墨烯目前尚未实现。

　　这项研究发表在2013年11月1日的《科学》杂志上。

　　电气工程教授、该论文合着者Ken Shepard表示：“这是材料工程中一个令人兴奋的新范式，与逐层增加的传统方法相比，现在可以通过二维晶体的机械组装来制造混合材料。从来没有人能够成功地实现像石墨烯这样的二维材料的纯边缘接触工艺。”

　　他补充道：“早期的研究主要关注于如何通过其他工艺如添加掺杂剂等来改善‘顶部接触’。然而，新的边缘接触工艺比传统方法提供了更有效的接触，而无需进一步复杂的加工处理。这让我们研究设备应用和探索基础物理有了更多的可能性。”

　　2004年首次剥离出石墨烯，它是可供研究的最好的二维材料，并已经成为数以千计的论文主题来研究其电气性能及设备应用。机械工程教授、也是该研究的合着者James Hone表示：“石墨烯接触污染物时，其性能会降低。这表明污染问题与电接触是紧密联系的。任何高性能的电子材料必须密封在绝缘体中以保护其不受环境的影响。石墨烯缺乏平面结合的能力，这使得表面的电接触变得十分困难，但这也防止其粘合到氧化物等常规三维绝缘体上。相反，通过使用二维绝缘体可获得最好的结果，而无需在其表面粘合。直到现在我们才找到了一种方法来对完全密封的石墨片进行电接触。”

　　哥伦比亚大学博士后、该研究的领导者Cory Dean表示：“在这项工作中，我们团队同时解决了接触和污染的问题。二维材料最大资本之一的石墨烯只有一个原子的厚度，我们可以直接进入其电子结构。同时，这也可能成为它最差的特性之一，因为这使得它对环境极为敏感。任何外界的污染可以迅速降低其性能。保护石墨烯免受扰乱、同时还允许电接触的这种需要已经成为阻碍石墨烯技术发展的最大障碍。通过仅从石墨烯的一维边缘进行接触，我们已开发出一种重要的全新方式来连接我们的三维世界和这个迷人的二维世界，并且无需干扰其固有特性。这几乎消除了外界污染，最终允许石墨烯在电子设备中发挥其真正潜力。

　　研究人员采用一种新技术将二维石墨烯层完全密封在一个薄的绝缘氮化硼晶体的夹层结构中，并且将这些晶体层一个接一个地堆叠在里面。Dean解释道：“我们组装这些异质结构的方法完全消除层与层之间的任何污染，这可以通过横切设备并观察其在原子分辨率的透射电子显微镜成像来证实。”

　　一旦他们创建了堆栈，石墨烯的边缘就会暴露蚀刻，然后将金属蒸发到边缘来建立电接触。通过沿边缘进行电接触，该团队实现了在二维有源层和三维金属电极之间的一维接触。此外，尽管电子仅从石墨片的一维原子边缘进入，但接触电阻是相当低的，可到达每微米100 Ohms的接触宽度，这比石墨烯顶面接触可实现的值更小。

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