【据丹麦科技大学网站2019年2月19日报道】来自丹麦的一个研究团队解决了利用石墨烯制造高效纳米电子器件的最大挑战之一。这个全新的研究结果已经于近期发表在《自然·纳米科技》期刊中。
过去15年，科学家们一直试图利用“神奇材料”石墨烯来制造纳米级电子器件。从各类文献中得知，石墨烯是一种非常好的材料：它是超薄的——只有一个原子厚度，因此是一种二维材料，非常适合传传导电流，并很有希望用来制造未来更高效、更快、更节能的电子产品；此外，由于石墨烯是由碳原子构成的，可以从自然界中无限制的获得。
理论上，石墨烯可以根据使用场景的不同应用于不同的器件，例如在电子器件、光学器件或传感器中应用，只需按要求订制剪裁石墨烯的微小排布样式，样式的不同从根本上改变了石墨烯的量子特性。这其中一个看似“简单”实际却异常困难的工作就是诱导带隙——这对于制造晶体管和光电器件至关重要。然而，由于石墨烯是二维的，只有原子一般的厚度，因此其中所有的原子都非常重要，甚至石墨烯结构中的排列样式出现微小的不规则也会破坏其性质。
来自丹麦科技大学的物理系教授彼得·博吉尔德表示，石墨烯是一种非常棒的材料，它将在制造新的纳米级电子产品中发挥关键作用。但目前面临的主要问题就是设计实现石墨烯电子性能非常困难。
位于丹麦科技大学和奥尔堡大学的纳米结构石墨烯中心成立于2012年，专门研究如何在极小尺寸通过改变石墨烯的形状订制设计电学性质。当将订制号的石墨烯样式进行模拟测试时，来自丹麦科技大学和奥尔堡大学的研究团队经历了与全球其他研究人员相同的事情：石墨烯并未产生作用。
“当你为石墨烯这样的材料设计排布样式时，目的是以更加可控的方式改变其固有特性，匹配器件设计。但是，经过多年的研究，我们是可以在石墨烯中设计出想要的排布样式，但同时也引入了非常多结构上的“无序”和“污染”，这使其不再像石墨烯那样具有完整的、良好的性质。这种情况有点类似于因为制造精度的问题导致部分堵塞的水管，从外部看可能看起来一切正常，但内部的水不能自由流动。这种情况的存在显然是灾难性的。“彼得·博吉尔德说。
现在，来自丹麦的科研团队已经解决了这个问题。相关的研究结果已经发表在了《自然·纳米科技》期刊中。来自丹麦科技大学物理系的亚尔科·扬森和雷恩·贾梅尔高德两位博士后，首先将石墨烯封装在另一种二维材料中——六方氮化硼，这是一种非导电材料，通常用于保护石墨烯的的固有特性。随后，他们使用一种被称为电子束光刻的技术，刻蚀出一系列密集排列的超小孔精细地针对保护层氮化硼和它下面的石墨烯层进行自主样式设计。这些小孔的直径约为20纳米，每个孔的间距也仅有12纳米。每个小孔边缘的粗糙度小于1纳米(十亿分之一米)。这样的结构设计将使得通过这样小尺寸石墨烯器件的电流比目前所能达到的水平还要高1000倍。不过，这种结构能做到的不仅仅是这些。
“我们已经证明，我们可以控制石墨烯的能带结构，并通过结构设计控制其性能表现。不过，当我们控制能带结构时，我们可以得到石墨烯的完整特性——我们很惊奇地发现，某些石墨烯中最微妙的量子、电子效应，也在我们设计的密集孔隙排列组成的样式中留存了下来——这是非常令人鼓舞的。这项工作证明，我们可以电脑中对电子器件进行内部结构或样式的设计，或进行一些创新，然后即可在实验室通过实践去实现它们的功能。”彼得·博吉尔德表示。
“许多科学家早就放弃了在石墨烯中进行纳米光刻的研究，这是非常可惜的，因为纳米结构是开发石墨烯电子和光子学器件最有效的手段和关键工具。现在我们已经明白它是这项技术如何完成的，围绕这一技术的“诅咒”已经被解除。不过我们依然面临其他的挑战。不过目前，我们已经可以订制石墨烯内部的电子特性，这使我们朝着创造尺寸极小的新电子产品迈出了一大步。”彼得·博吉尔德表示。
