石墨烯纳米中的弹道运输建议新型的基于石墨烯的电子产品

由互连的石墨烯纳米（黑色原子）构成的电子电路的概念图在碳化硅（黄色原子）蚀刻的步骤上外延生长。电子（蓝色）通过金属触点向下传球，然后通过金属触点从一个丝带行进。通过静电栅极调制电子流量。（图片由John Hankinson提供）

来自佐治亚州理工学院的新出版的研究表明，石墨烯纳米中的弹道传输可能导致新的一类相干电子设备。

使用电子更像光子可以为新型电子设备提供基础，这些电子设备将利用石墨烯的能力，即使在室温下也几乎没有阻力 - 称为弹道传输的性质。

本周报道的研究表明，在量子机械原理之后，外延石墨烯的外延石墨烯的纳米波堡的电阻变化。该研究表明，石墨烯纳米标志的作用更像光波导或量子点，允许电子沿着材料的边缘平稳地流动。在诸如铜的普通导体中，由于在通过导体的同时，电子遇到越来越多的杂质，电阻与长度成比例地增加。

类似于在圆柱形碳纳米管中观察的弹性传输性质，超过石墨烯的理论导电预测10倍。在石墨烯纳米波纹中测量的性质约40纳米宽，其在蚀刻到碳化硅晶片中的三维结构的边缘上生长。

“这项工作表明，我们可以以非常不同的方式控制石墨烯电子，因为性质真的特别，”格鲁吉亚理工学院物理学院的教授Walt de Heer说。“这可能导致基于石墨烯的室温弹道传输的新类相干电子设备。这些设备与我们今天在硅中的制作方面非常不同。“

该研究，由国家科学基金会，科学研究空军办公室和W.M支持。Keck Foundation，于2月5日在杂志上报告。该研究是通过从美国的佐治亚州理工学院的科学家合作完成的，在德国的汉诺威·莱布尼兹大学汉诺威（CNRS）在法国国家De La Recherche Scientifique（CNRS）和橡树岭国家实验室 - 由能源部提供支持美国。

对于近十年来，研究人员一直在尝试使用石墨烯的独特属性来创建像现有硅半导体芯片一样操作的电子设备。但是，这些努力已经满足了有限的成功，因为石墨烯 - 一种碳原子的晶格，可以像一层厚那样较少 - 不能容易地给出这种装置需要操作的电子带隙。

De Heer认为，研究人员应该停止尝试使用硅等石墨烯，而是使用其独特的电子传输属性来设计新型的电子设备，可以允许超快速计算 - 基于一种新的切换方法。石墨烯纳米中的电子可以在不散射的情况下移动数十或数百微米。

“这种恒定的阻力与物理学的一个基本常数，导电量子，”De Heer说。“该通道的电阻不依赖于温度，并且它不依赖于您穿过它的电流量。”

然而，破坏电子流量的破坏是用电探针测量电阻。测量结果表明，用单个探头触摸纳米杆使耐脉冲倍增。用两个探针触摸它三重电阻。

“电子击中了探头和散射，”解释说，德霍尔。“这是一种像溪流一样的溪流，直到你在途中摇滚岩石。我们已经完成了系统的研究表明，当您使用探头触摸纳米杆时，您将介绍一种用于散射的电子方法，并改变阻力。“

纳米波堡在硅碳晶片上外延生长，使用标准微电子制造技术蚀刻图案。当晶片被加热到大约1,000摄氏度时，硅优先沿边缘从边缘驱动，形成由三维表面的图案确定的石墨烯纳米。一旦生长，纳米布尔斯不需要进一步加工。

通过这种方式制造石墨烯纳米波动的优点是它产生完全光滑的边缘，通过制造过程退火。光滑边缘允许电子流过纳米臂而不会破坏。如果使用传统的蚀刻技术来从石墨烯片切割纳米队，则得到的边缘太粗糙以允许弹道传输。

“目前似乎主要在边缘流动，”德赫尔​​说。“纳米波堡的散装部分中有其他电子，但它们不会与在边缘流动的电子相互作用。”

边缘上的电子更像光纤中的光子，帮助它们避免散射。“这些电子真的表现得更像光，”他说。“就像光纤的光线一样。由于制造了纤维的方式，灯透射而不散射。“

研究人员在石墨烯纳米中测量了最多16微米的弹道电导。超越一百万的电子迁移率测量对应于每平方的一个欧姆的薄层电阻，比在二维石墨烯中观察到的两个数量级 - 比石墨烯的最佳理论预测小十倍。

“这应该能够实现新的电子产品方式，”De Heer说。“我们已经能够转向这些电子，我们可以使用基本的手段来切换它们。我们可以放一个障碍，然后再打开它。这种材料的新型开关现在正在地平线上。“

研究人员测量的理论解释是不完整的。De Heer推测石墨烯纳米队可以产生类似于超导体中观察到的新型电子传输。

“有很多基本物理学需要做到明白我们所看到的东西，”他补充道。“我们认为这表明是一种新型的基于石墨烯的电子产品存在的真实可能性。”

自2001年以来，格鲁吉亚科技研究人员自2001年以来已开创基于石墨烯的电子产品。该技术涉及将图案蚀刻到电子级碳化硅晶片中，然后加热晶片以驱动硅，留下石墨烯的图案。

除了德国德国汉诺威的汉诺威的汉诺威汉诺伊州的Jens Baringhaus，Frederik Edler和Christoph Tegenkamp，还包括Jens Baringhaus，Frederik Edler和Christoph Tegenkamp; Edward Conrad，Ming Ruan和Zhigang江从佐治亚理工学院的物理学院; Claire Berger从格鲁吉亚理工学院和InstitutNéel在法国国家De La Recherche Scientifique（CNRS）中的Courtenciet; Antonio Tejeda和Muriel Sicot从Institut Jean Lamour，Universite de Nancy，Center National De La Recherche Scientifique（CNRS）在法国;来自橡树岭国家实验室的纳比材料科学中心的An-ping Li，以及来自法国CNRS同步素斯的Amina Taleb-Ibrahimi。

该研究得到了国家科学基金会（NSF）材料研究科学和工程中心（MRSEC）通过奖励DMR-0820382支持;科学研究空军办公室（AFOSR）;科学用户设施师，美国能源部基本能源科技厅和法国大使馆的合作大学基金。任何结论或建议是作者的任何结论或建议，不一定代表NSF，DOE或AFOSR的官方意见。

出版物：Jens Baringhaus，等，“外延石墨烯纳米中的出色弹道运输，”自然，2014; DOI：10.1038 / Nature12952

研究报告的PDF副本：外延石墨烯纳米中的特殊弹道运输

图像：John Hankinson