神奇之碳石墨烯续写传奇

2013-11-15 00:02

　　全新石墨烯生产工艺推动柔韧和透明电子产品发展

　　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。

　　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。

　　有了这两个新工艺，即通过一维边缘的接触架构和防止接口污染的堆栈组装方法，该团队能够生产“尚未实现的最干净的石墨烯”。在室温下，这些设备表现出以往所没有的性能，包括比任何传统二维电子系统至少大两倍的电子迁移率、当加入足够静电电荷到薄片时少于40 Ohms的薄层电阻率等。令人惊讶的是，这个二维薄层电阻相对于一个“大块”三维电阻率在常温下比其他金属电阻率更小。在低温下，电子通过样品时并不分散，这种现象被称为弹道传输。弹道传输在以往的样品中观察时是接近于1毫米的大小，但是这项工作证明样品中同样的行为有20毫米那么大。Dean 称：“距离远近纯粹受设备大小所限，这表明真正的‘本质’行为甚至会更好。”

　　该团队目前正在运用机械组装和混合材料的边缘接触等工艺来开发新的复合材料。这些混合材料来自于全套可用的层状材料，包括石墨烯、氮化硼、过渡金属dichlcogenides （TMDCs）、过渡金属氧化物（TMOs）和拓扑绝缘体（TIs）。Dean补充道：“目前，我们正利用常规手段获得石墨烯设备前所未有的性能来探索大尺度弹道电子传输相关的一些效果和应用。有了这么多聚焦于正在开发的整合层状二维系统新设备的最新研究，那么石墨烯各种潜在应用会是令人难以置信的，其中包括垂直结构晶体管、隧道设备和传感器、光敏混合材料、高柔韧度和透明度的电子产品。”