人造石墨烯或重新定義納米制造工藝最高水平

　　本世紀(jì)初時(shí)，石墨烯的發(fā)現(xiàn)在物理學(xué)界引起了巨大的反響。身為首個(gè)在現(xiàn)實(shí)世界里現(xiàn)身的二維材料，它很快就成為了科學(xué)家眼中的寵兒。但石墨烯作為一種天然物質(zhì)，只有一種固定的原子排列，因此所有關(guān)于石墨烯的實(shí)驗(yàn)都必須適應(yīng)這些約束條件。不過(guò)最近哥倫比亞大學(xué)的專(zhuān)家制成了性能更加優(yōu)異的半導(dǎo)體“人造石墨烯”器件，完美的解決了這一問(wèn)題。

　　圖|傳統(tǒng)石墨烯結(jié)構(gòu)

　　石墨烯中碳原子獨(dú)特的排列提供了一個(gè)可以測(cè)試傳統(tǒng)材料中難以觀察到的新量子現(xiàn)象的平臺(tái)。憑借其不同尋常的電子屬性：它的電子在散射之前可以經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的距離，石墨烯作為一種性能超凡的導(dǎo)體，這些屬性還顯示出其他獨(dú)特的特性，使得電子就好像是接近光速的相對(duì)論粒子一樣，具有非相對(duì)論性電子所不具備的奇異性質(zhì)。但石墨烯晶格中原子的位置是固定的，相比之下，人造石墨烯中晶格的間距和配置可以在很大的區(qū)間內(nèi)自由設(shè)定。這般強(qiáng)大的多功能特性使得人造石墨烯成為了凝聚態(tài)領(lǐng)域研究人員眼中的寶物。

　　這次研究是由哥倫比亞大學(xué)工程系專(zhuān)攻納米級(jí)物質(zhì)操縱方面的專(zhuān)家主導(dǎo)，通過(guò)與普林斯頓大學(xué)，普渡大學(xué)和意大利科技大學(xué)的同事合作，該團(tuán)隊(duì)首次重新設(shè)計(jì)了石墨烯在半導(dǎo)體器件中的電子結(jié)構(gòu)，從而制造出了新型“人造石墨烯”。

　　圖|蝕刻支柱就是指在六邊形晶格排列中量子點(diǎn)（紅色坑洼）的位置。當(dāng)量子點(diǎn)之間的間距足夠小時(shí)，電子可以在它們之間移動(dòng)。（來(lái)源：DiegoScarabelli/哥倫比亞大學(xué)工程系）

　　哥倫比亞大學(xué)工程系應(yīng)用物理和物理學(xué)教授，該研究的資深作者AronPinczuk說(shuō)：“這個(gè)里程碑式的成就重新定義了凝聚態(tài)物質(zhì)科學(xué)和納米制造領(lǐng)域的最高水平?！半m然人造石墨烯已經(jīng)被應(yīng)用到了光學(xué)、分子和光子格等其他系統(tǒng)中，但這些平臺(tái)缺乏半導(dǎo)體加工技術(shù)所能提供的多功能性。而半導(dǎo)體人造石墨烯器件可能成為探索新型電子開(kāi)關(guān)、高性能晶體管、甚至量子態(tài)信息存儲(chǔ)新方法的平臺(tái)。

　　應(yīng)用物理和應(yīng)用數(shù)學(xué)系研究員，該研究的合著者ShalomWind說(shuō)：“這是一個(gè)迅速成長(zhǎng)的研究領(lǐng)域，以前許多無(wú)法企及的新現(xiàn)象現(xiàn)在都已被發(fā)現(xiàn)。隨著我們不斷探索基于電控制人造石墨烯的新型器件，我們可以挖掘出石墨烯在光電和數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域的更多潛力?！?br/>
　　“這項(xiàng)工作實(shí)際上是人造石墨烯技術(shù)的一大進(jìn)步，之前的理論曾預(yù)測(cè)石墨烯類(lèi)電子系統(tǒng)是經(jīng)人工創(chuàng)建，并用圖形化2D電子氣調(diào)諧的。但一直到這次哥倫比亞大學(xué)的研究之前，還沒(méi)有人成功在工程半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中成功觀察到這些特性?！凹又荽髮W(xué)伯克利分校物理學(xué)教授StevenG.Louie說(shuō)?！耙郧暗姆肿?，原子和光子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)僅能代表通用性和穩(wěn)定性都很差的系統(tǒng)。這次的納米半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)則為探索新科學(xué)及其實(shí)際應(yīng)用提供了新的機(jī)會(huì)。

　　研究人員使用傳統(tǒng)芯片技術(shù)中的工具，在標(biāo)準(zhǔn)的砷化鎵材料半導(dǎo)體中開(kāi)發(fā)人造石墨烯。他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)分層結(jié)構(gòu)，以使電子只能在一個(gè)非常狹窄的層內(nèi)移動(dòng)，從而有效地創(chuàng)建一個(gè)2D層面。他們使用納米光刻、蝕刻來(lái)刻畫(huà)砷化鎵：刻畫(huà)后砷化鎵產(chǎn)生了能將電子限制在橫向方向的六邊形晶格。通過(guò)將這些所謂的“人造原子”放置得彼此足夠接近（相距50納米左右），這些人造原子能夠以量子力學(xué)的方式相互作用，這類(lèi)似于原子在固體中共享其電子的方式。

　　圖|綠色層代表電子可以在其中移動(dòng)的2D層。納米光刻和蝕刻形成了小柱子，在其下方的量子點(diǎn)排列成六邊形晶格。在底部掃描電子顯微照片就會(huì)顯示六邊形陣列，從頂部以一個(gè)特定角度來(lái)看，它的周長(zhǎng)只有50納米。（來(lái)源：DiegoScarabelli/哥倫比亞工程）

　　小組通過(guò)照射激光探測(cè)人造晶格的電子狀態(tài)并測(cè)量散射光線。散射光能顯示出電子從一個(gè)狀態(tài)跳變到另一個(gè)狀態(tài)后損失的能量。當(dāng)他們把這些狀態(tài)轉(zhuǎn)變映射出來(lái)時(shí)，研究小組發(fā)現(xiàn)他們正在以接近“狄拉克點(diǎn)”（一種石墨烯的特征，在這個(gè)點(diǎn)電子密度會(huì)消失）的線性方式趨近于零。

　　這種人造石墨烯與天然石墨烯相比有很多優(yōu)點(diǎn)：例如，研究人員可以通過(guò)調(diào)整蜂窩晶格來(lái)調(diào)節(jié)電子行為。而且由于量子點(diǎn)之間的間距比天然石墨烯中的原子間距要大得多，研究人員可以在磁場(chǎng)的作用下觀察到更為奇特的量子現(xiàn)象。

　　石墨烯和其他新型低維材料（如超薄層狀范德華薄膜等）的發(fā)現(xiàn)，為本研究奠定了基礎(chǔ)。Pinczuk指出：“之前納米加工技術(shù)的進(jìn)步對(duì)本次我們的研究至關(guān)重要。這些先前的研究為我們提供了一個(gè)不斷擴(kuò)大的‘工具箱’，我們可以借此刻畫(huà)出無(wú)數(shù)納米尺度的高質(zhì)量圖案。毫不夸張地說(shuō)，這次發(fā)現(xiàn)使我們這個(gè)領(lǐng)域的物理學(xué)家都倍感振奮?！?br/>
　　2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)將石墨烯帶入了人們的視線，自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，石墨烯就得到了廣泛關(guān)注并取得了不斷發(fā)展，但在現(xiàn)階段的技術(shù)研發(fā)中扔面臨著許多挑戰(zhàn)，不過(guò)，這些挑戰(zhàn)也是我們未來(lái)研究的肥沃土壤。如果說(shuō)20世紀(jì)是硅的世紀(jì)，石墨烯則開(kāi)創(chuàng)了21世紀(jì)的新材料紀(jì)元，將給世界帶來(lái)實(shí)質(zhì)性變化，我們相信石墨烯及其相關(guān)技術(shù)的前途一片光明。