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电子束光刻出控制石墨烯电子“颜色”的器件

2016-09-05 10:19
kumsing
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  一种由双层石墨烯——一种六边形排列的碳原子薄层——制成的器件,提供了控制电子动量的实验证据,和提供了一条通向可能比标准的CMOS晶体管需要更少的能量和放出更少的热的电子器件的途径。这是向一个被称为谷电子的新物理领域前进的一步。

  “目前的硅基晶体管器件依靠电子的电荷来开关器件,但是许多实验室正在寻找基于别的变量来操纵电子的新的方式,这些变量被称为自由度,”该研究的主导者Jun Zhu说,他是宾州州立大学物理学助理教授。“电荷是其中一个自由度。电子自旋是另一个自由度,而被称为自旋电子学的基于自旋而制作晶体管的能力还处于开发阶段。电子的第三个自由度是电子的谷状态,其基于与它们的动量相关的能量。”

  Zhu说,可以将电子想象成汽车,将谷状态当成红色或蓝色等车的颜色,作为一种区别它们的方式。在双层石墨烯的薄层中,电子通常会同时占据红色和蓝色的谷状态,并会向所有的方向运动。而她的博士生Jing Li所研究的这个器件可以让红车沿着一个方向运动,而蓝车沿着相反的方向运动。

  “Jing制作的这个系统在双层石墨烯薄片的上下放置了一对门电路。然后他施加了一个垂直于平面的电场,”Zhu说。

  “通过在一面施加一个正电压和在另一面施加一个负电压,在双层石墨烯之中就打开了一个带隙,而这通常是没有的。在这两面之间的中间位置,我们保留了一个大约70纳米的物理间隙,”Li解释说。

  这是在这个实验中所使用的器件的一幅扫描电子显微镜图像。石墨烯与六方氮化硼的薄层被堆叠在一起,然后用电子束光刻制成该器件。紫色层是双层石墨烯片。底下分开的门电路对(黑色方块)是由多层石墨烯制成。顶面分开的门电路对(金色方块)是由金制成。该一维线存在于分开的门电路形成的间隙内。

  在这个间隙内存在着一维的金属状态,或金属线,其是进行了颜色编码的电子高速路。在这些路上,红车沿着一个方向运动,而蓝车沿着相反的方向运动。理论上,带颜色的电子可以在很小的电阻下几乎不受阻碍地沿着电线飞行很长的距离。小电阻意味着电子器件的消耗的功率更低和产生的热量更少。在当今的小型化器件中的功率消耗和热管理都是一个挑战。

  “我们的实验表明,金属线是可以被制造出来的,”Li说。“虽然我们距离实际的应用还有很长的路要走。”

  Zhu补充说:“仅仅使用几个门电路就可以在绝缘的双层石墨烯片内部产生这样的状态是非比寻常的。它们还不是完全无阻抗,我们正在做更多的实验来了解阻抗可能来自何处。我们也试图制造基于电子的颜色来控制电子流的阀门。这是一个被称为谷电子的新的电子概念。”

  Li与宾州州立大学纳米加工实验室的技术人员紧密合作来使该理论框架变成一个工作器件。

  “顶部和底部的门电路的对准是至关重要的,这是一个不平凡的挑战。宾州州立大学纳米实验室先进的电子束光刻能力使得Jing能够制造出这个具有纳米功能的新器件,”纳米光刻工程师Chad Eichfeld说。

  他们的题为《双层石墨烯的门控拓扑导电通道》的论文发表在8月29日的《自然纳米技术(Nature Nanotechnology)》杂志在线版上。其他作者包括中国科技大学的Ke Wang,Yafei Ren以及他们的导师Zenhua Qiao,他们进行了数值研究来模拟金属线的行为。该实验中所用的高质量六方氮化硼晶体来自日本国家材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。两个本科学生,Kenton McFaul和Zachary Zern也对该研究做出了贡献。

  该研究的资金由美国海军研究办公室,美国国家科学基金会以及中国和日本的资助机构提供。来自Grove城市学院的访问学生Kenton McFaul由一个美国国家科学基金(NSF)和国家纳米技术基础研究网络(NNIN)授权的大学生研究实习计划资助。Jun Zhu是宾州州立大学材料研究所二维层状材料中心的一名成员。
 

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