石墨薄片有望成为下一代纳米电子元件材料

最近的一项关于电子在超薄 石墨层中的行为的研究表明，石墨薄层有望成为下一代纳米电子元件材料，这种电子元件可以把电子当作波来操控，就像是光学系统中操控光波一样。
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4月13日发表在《Science Express》杂志上的文章称，美国佐治亚理工学院和法国国家科学研究中心（CNRS）的科学家们测量了石墨薄片中的电子输运性质时发现，石墨薄片的性能可以与 碳纳米管相媲美。比碳纳米管更有优势的是，石墨薄片线路可以用现有的微电子学技术进行生产。Walt de Heer教授说：“我们发现石墨材料有很高的电子迁移率，与光线在光导中传播很类似。”de Heer的研究小组于2001年在美国自然科学基金会和英特尔公司的资助下开始的这项研究。
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研究人员们在石墨薄片线路中观察到了量子禁闭效应，也就是说电子可以像波一样通过石墨，石墨材料就像波导一样。
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碳纳米管没有有效电阻，但其结构是离散的，而且性质不稳定，利用碳纳米管制作实际可用的电子元件有很大的困难。但是连续的石墨薄片线路却可以用标准的微电子技术制造成电子元件。de Heer说：“利用窄的石墨带子，我们得到纳米管的所有电子学性质，因为这些性质只用到了石墨和电子的禁闭性质，而不需要纳米结构。”
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研究人员们可以把石墨薄片相互连接起来，将其作为一个平台，可以制作出很多电子元件。他们在高真空条件下加热碳化硅晶片，使硅原子跑出来，剩下的就是连续的石墨薄片。研究人员们接下来在石墨表面涂上一层微电子技术中使用的光阻材料，利用电子束光刻技术，他们可以在石墨表面生成任何想要的形状，然后再用传统的腐蚀工艺把不需要的石墨除去。
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研究人员们在佐治亚理工学院微电子学研究中心，用电子束光刻技术可以做出尺度只有80纳米的线路，而且这种石墨薄片线路有很高的电子迁移率，最高可达25000平方厘米每伏特秒。室温下，研究人员们希望能在足够小的结构中观察到电子的弹道输运。
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至今，研究人员们已经制造出一个完全由石墨组成的场效应晶体管。当对这个晶体管通入门电压时，它的电阻发生了明显的改变。但是，这个晶体管有严重的电流泄露，研究人员们希望通过比较小的调节可以消除这个缺点。另外，研究人员们还制出了一种量子干涉器件，这种环状结构器件可以用来操纵电子波。
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影响石墨薄片线路性质的关键因素是石墨条的宽度，石墨条可以像碳纳米管一样禁闭电子。石墨条的宽度决定了材料的能带隙。
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另外，研究人员们还发现电子通过石墨薄片的速度与电子能量无关，这个性质与光类似。因为电子是狄拉克粒子，所以它们可以通过相当长的距离而不受到散射。
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目前研究中遇到的挑战主要是改进石墨成型技术，因为电子输运性质受到石墨薄片线路中边沿的光滑性的影响。
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de Heer说：“我们已经发现了石墨薄片材料中的一些新的、令人惊讶的性质，我们正在研究以前二维材料中所没有的现象。”