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好消息!纳米半导体结构的人造石墨烯出现

蚀刻支柱确定排列在六角形格子中量子点(红色水坑)的位置。当量子点间的间距足够小时,电子可以在它们之间移动。


近日Nature Nanotechnology杂志报道,哥伦比亚大学工程系操纵纳米尺度物质的研究人员,在物理和材料科学领域取得重大突破。团队与普林斯顿大学、普渡大学和意大利理工学院的同事们合作,首次通过重构石墨烯在半导体器件中的电子结构,设计出了“人造石墨烯”。


哥伦比亚大学应用物理和物理学教授,该研究的资深作者Aron Pinczuk表示:“这个里程碑标志了凝聚态物质科学和纳米加工领域的新技术的出现。尽管人造石墨烯已经在光学、分子和光子晶格等其他系统中得到了展示,但是这些平台缺乏半导体处理技术提供的多功能性和潜力。半导体人造石墨烯器件可以成为新一代平台去探索新型电子开关、具有优异性能的晶体管,甚至可能是基于外来量子力学状态来存储信息的新方法。”


21世纪初发现的石墨烯引发了物理界极大的兴奋,不仅因为这是第一次发现二维材料,而且因为石墨烯中碳原子独特的原子排布提供了测试难以在传统材料系统中观察的新量子现象的平台。石墨烯具有不同寻常的电子特性,是一种杰出的导体,它的电子在散射之前可以行进很远。这些性质还显示出其他独特的特性,使得电子的行为就好像它们是接近光速的相对论粒子一样,赋予它们非正规的非相对论性电子所不具备的奇异性质。


但石墨烯这种天然物质只有一种原子排列:石墨烯晶格中原子的位置是固定的,因此所有关于石墨烯的实验都必须适应这些约束条件。另一方面,在人造石墨烯中,晶格可以被设计成宽范围的间距和配置,使其成为凝聚物研究人员的圣杯,因为它具有比天然材料更多的多功能特性。


应用物理和应用数学系的研究员,该研究的合著作者Shalom Wind说:“这是一个迅速扩大的研究领域,我们正在发现以前无法获取的新现象。随着我们探索基于人造石墨烯电控制的新型器件概念,我们可以释放出扩大先进光电和数据处理领域的潜力。”


图中绿色层代表电子可以移动的2D片。纳米光刻和蚀刻形成了小柱子,其下方的量子点排列成六边形晶格。底部扫描电子显微照片显示六角形阵列,从顶部和一个角度,只有50纳米周期。


加利福尼亚伯克利大学物理学教授Steven G. Louie表示:“这项工作的确是人造石墨烯的一大进步。尽管第一个理论预测拥有像石墨烯一样电子性质的系统可能通过人造获得,并用图形化的二维电子气进行调谐,但直到哥伦比亚大学直接观察工程半导体纳米结构的这些特性之前,没有人成功。以前的分子、原子和光子结构方面的工作代表了多功能和稳定的系统,纳米半导体结构为探索激动人心的新科学和实际应用提供了巨大的机遇。”


研究人员使用传统芯片技术的工具,在标准的半导体材料砷化镓中开发人造石墨烯。他们设计了一个分层结构,以便电子只能在一个非常狭窄的层内移动,相当于有效地创建了一个2D片。他们使用纳米光刻和蚀刻在砷化镓上刻画图案:刻画产生的电子被限制在横向的六边形晶格。通过将这些“人造原子”的放置得彼此足够接近(相距〜50纳米),这些人造原子就可以与量子力学相互作用,类似于原子在固体中共享电子的方式。


该研究小组通过照射激光探测人造晶格的电子状态并测量散射的光线。散射光显示出能量的损失,对应了从一个状态到另一个状态的电子能量的转变。当他们把这些转变映射出来时,研究小组发现他们正在以所谓的“电子密度消失的狄拉克点”(一种石墨烯的特征)的线性方式逼近零。


这种人造石墨烯与天然石墨烯相比有几个优点:例如,研究人员可以设计出蜂窝晶格的变化来调节电子行为。而且由于量子点之间的间距比天然石墨烯中的原子间间距大得多,所以研究人员可在磁场的作用下观察到更为奇特的量子现象


石墨烯和其他超薄层状范德华薄膜等新型低维材料的发现,展现了先前无法获得的激动人心的新物理现象,为本研究奠定了基础。Pinczuk指出:“纳米加工方面令人印象深刻的进步对我们的工作至关重要,为我们提供了一个不断强化的工具箱,可以创造出无数纳米尺度的高质量图案。这是在这个领域工作的物理学家们的一个激动人心的时代。”


文章来自,原文题目Engineers create artificial graphene in a nanofabricated semiconductor structure,由材料科技在线汇总整理。


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