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制药行业

激光技术:让石墨烯更好地应用于新一代电子器件!

时间:2019-06-04来源:未知浏览次数:

导读

据美国普渡大学官网近日报道,该校与密歇根大学、中国华中科技大学的研究人员们进行合作,向我们展示了一种激光技术是如何长期地向石墨烯施加应力,使之拥有带隙。

背景

2004年,英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫从石墨薄片中剥离出了石墨烯。从那时起,石墨烯凭借其独特的性能,成为了科学界与工业界关注的热点。它曾被誉为“新材料之王“,对于整个产业的影响可能是颠覆性的。

(图片来源:Tatiana Shepeleva/Shutterstock)

石墨烯具有单层碳原子组成的蜂窝状结构。这种超薄材料的厚度仅为人类发丝直径的百万分之一。但是,它的强度却胜过钢铁百倍,且导电、导热性能极佳。这意味着,石墨烯中的电子移动得要比在如今常用的硅中更快。

(图片来源:石墨烯旗舰项目)

虽然导电性能卓越,但是石墨烯中的电子运动得有些“野蛮”。当电子通过石墨烯时,仍然保持直线与高速,无法受到阻止和控制。因此,石墨烯并不适用于半导体。

众所周知,硅是如今最广泛应用的半导体材料,其带隙足够大,可以用于“开”或“关”电流。这种能力对于构成现代二进制计算机的关键元件晶体管来说至关重要。令人遗憾的是,石墨烯却不具备这样的带隙。

经过镜面精加工的硅晶圆(图片来源:维基百科)

要做到真正有用,石墨烯就需要能够开关电流,就像硅在计算机芯片上以数十亿个晶体管的形式所实现的。这种开关机制创造出一连串的0与1,而计算机正是通过这些二进制数来处理信息的。

(图片来源:谢菲尔德大学)

创新

近日,美国普渡大学、密歇根大学与中国华中科技大学的研究人员们进行合作,向我们展示了一种激光技术是如何长期地向石墨烯施加应力,使之拥有一种可以控制电流流动的结构。

这种结构就是所谓的“带隙”。电子需要跃过带隙,变成导电电子,从而可以携带电流。可是,石墨烯却没有与生俱来的带隙。

他们的研究发表在《先进材料(Advanced Materials)》期刊上。

技术

普渡大学的研究人员们创造并拓宽石墨烯中的带隙,使之达到一项记录:2.1电子伏特。为了实现诸如硅这样的半导体的功能,带隙至少要达到之前0.5电子伏特的记录。

(图片来源:Gary Cheng/普渡大学)

普渡大学工业工程系教授 Gary Cheng 的实验室研究了使石墨烯更加适合商业应用的多种方法。他表示:“这是首次通过一种方法,就像通过化学掺杂,实现如此高的带隙,而不会影响石墨烯本身的性能。”

带隙的出现,使半导体材料可以根据电子能否通过带隙,在绝缘与导电的状态之间切换。

研究人员们采用了一项称为“激光冲击压印”的技术,让带隙结构永久地存在于石墨烯中。2014年,Cheng 与哈佛大学、马德里高等研究所以及加州大学圣迭戈分校的科学家们共同开发了这项技术。

在这项研究中,研究人员们采用激光创造出冲击波脉冲,这个脉冲渗透到下层的石墨烯薄片中。激光冲击波使得石墨烯产生应变,形成一种沟槽状模型,并长期地保持这种形状。带隙可以通过激光器的功率来调整。

价值

研究人员称,超越0.5电子伏特,释放了石墨烯在新一代电子器件中的更多潜能。

Cheng 表示:“过去,研究人员们是通过简单地拉伸石墨烯打开带隙,但只是拉伸无法使带隙增宽许多。你需要永久地改变石墨烯的形状,从而保持带隙被打开。”

Cheng 及其合作伙伴不仅保持石墨烯中的带隙被打开,而且也使得带隙的宽度可以在零到2.1电子伏特之间调整。这就使科学家与制造商们可以根据他们想要石墨烯去做的事情,只利用石墨烯的某种特性。

Cheng 表示,虽然离将石墨烯变成半导体器件还有很长的路要走,但是这项技术使我们可以更加灵活地利用石墨烯材料的光学、磁学和热学特性。

关键字

石墨烯、带隙、激光、半导体

参考资料

【1】Maithilee Motlag, Prashant Kumar, Kevin Y. Hu, Shengyu Jin, Ji Li, Jiayi Shao, Xuan Yi, YenHsiang Lin, Jenna C. Walrath, Lei Tong, Xinyu Huang, Rachel S. Goldman, Lei Ye, Gary J. Cheng. Asymmetric 3D Elastic–Plastic StrainModulated Electron Energy Structure in Monolayer Graphene by Laser Shocking. Advanced Materials, 2019; 31 (19): 1900597 DOI: 10.1002/adma.201900597