電子束光刻出控制石墨烯電子“顏色”的器件
發(fā)布時(shí)間：2016/9/6 訪問(wèn)人數(shù)：1284次
OFweek激光網(wǎng)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(dòng)量的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，和提供了一條通向可能比標(biāo)準(zhǔn)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(gè)被稱為谷電子的新物理領(lǐng)域前進(jìn)的一步。
“目前的硅基晶體管器件依靠電子的電荷來(lái)開(kāi)關(guān)器件，但是許多實(shí)驗(yàn)室正在尋找基于別的變量來(lái)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(dǎo)者Jun Zhu說(shuō)，他是賓州州立大學(xué)物理學(xué)助理教授。“電荷是其中一個(gè)自由度。電子自旋是另一個(gè)自由度，而被稱為自旋電子學(xué)的基于自旋而制作晶體管的能力還處于開(kāi)發(fā)階段。電子的第三個(gè)自由度是電子的谷狀態(tài)，其基于與它們的動(dòng)量相關(guān)的能量。”
Zhu說(shuō)，可以將電子想象成汽車，將谷狀態(tài)當(dāng)成紅色或藍(lán)色等車的顏色，作為一種區(qū)別它們的方式。在雙層石墨烯的薄層中，電子通常會(huì)同時(shí)占據(jù)紅色和藍(lán)色的谷狀態(tài)，并會(huì)向所有的方向運(yùn)動(dòng)。而她的博士生Jing Li所研究的這個(gè)器件可以讓紅車沿著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，而藍(lán)車沿著相反的方向運(yùn)動(dòng)。
“Jing制作的這個(gè)系統(tǒng)在雙層石墨烯薄片的上下放置了一對(duì)門電路。然后他施加了一個(gè)垂直于平面的電場(chǎng)，”Zhu說(shuō)。
“通過(guò)在一面施加一個(gè)正電壓和在另一面施加一個(gè)負(fù)電壓，在雙層石墨烯之中就打開(kāi)了一個(gè)帶隙，而這通常是沒(méi)有的。在這兩面之間的中間位置，我們保留了一個(gè)大約70納米的物理間隙，”Li解釋說(shuō)。
電子束光刻出控制石墨烯電子“顏色”的器件
這是在這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(kāi)的門電路對(duì)(黑色方塊)是由多層石墨烯制成。頂面分開(kāi)的門電路對(duì)(金色方塊)是由金制成。該一維線存在于分開(kāi)的門電路形成的間隙內(nèi)。
在這個(gè)間隙內(nèi)存在著一維的金屬狀態(tài)，或金屬線，其是進(jìn)行了顏色編碼的電子高速路。在這些路上，紅車沿著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，而藍(lán)車沿著相反的方向運(yùn)動(dòng)。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(zhǎng)的距離。小電阻意味著電子器件的消耗的功率更低和產(chǎn)生的熱量更少。在當(dāng)今的小型化器件中的功率消耗和熱管理都是一個(gè)挑戰(zhàn)。
“我們的實(shí)驗(yàn)表明，金屬線是可以被制造出來(lái)的，”Li說(shuō)。“雖然我們距離實(shí)際的應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。”
Zhu補(bǔ)充說(shuō)：“僅僅使用幾個(gè)門電路就可以在絕緣的雙層石墨烯片內(nèi)部產(chǎn)生這樣的狀態(tài)是非比尋常的。它們還不是完全無(wú)阻抗，我們正在做更多的實(shí)驗(yàn)來(lái)了解阻抗可能來(lái)自何處。我們也試圖制造基于電子的顏色來(lái)控制電子流的閥門。這是一個(gè)被稱為谷電子的新的電子概念。”
Li與賓州州立大學(xué)納米加工實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)人員緊密合作來(lái)使該理論框架變成一個(gè)工作器件。
“頂部和底部的門電路的對(duì)準(zhǔn)是至關(guān)重要的，這是一個(gè)不平凡的挑戰(zhàn)。賓州州立大學(xué)納米實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)的電子束光刻能力使得Jing能夠制造出這個(gè)具有納米功能的新器件，”納米光刻工程師Chad Eichfeld說(shuō)。
他們的題為《雙層石墨烯的門控拓?fù)鋵?dǎo)電通道》的論文發(fā)表在8月29日的《自然納米技術(shù)(Nature Nanotechnology)》雜志在線版上。其他作者包括中國(guó)科技大學(xué)的Ke Wang，Yafei Ren以及他們的導(dǎo)師Zenhua Qiao，他們進(jìn)行了數(shù)值研究來(lái)模擬金屬線的行為。該實(shí)驗(yàn)中所用的高質(zhì)量六方氮化硼晶體來(lái)自日本國(guó)家材料科學(xué)研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。兩個(gè)本科學(xué)生，Kenton McFaul和Zachary Zern也對(duì)該研究做出了貢獻(xiàn)。
該研究的資金由美國(guó)海軍研究辦公室，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)以及中國(guó)和日本的資助機(jī)構(gòu)提供。來(lái)自Grove城市學(xué)院的訪問(wèn)學(xué)生Kenton McFaul由一個(gè)美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金(NSF)和國(guó)家納米技術(shù)基礎(chǔ)研究網(wǎng)絡(luò)(NNIN)授權(quán)的大學(xué)生研究實(shí)習(xí)計(jì)劃資助。Jun Zhu是賓州州立大學(xué)材料研究所二維層狀材料中心的一名成員。
