工程師在納米制造的半導體結構中制造人造石墨烯

哥倫比亞工程公司的研究人員，操縱納米級物質的專家，在物理學和材料科學方面取得了重大突破，最近在Nature Nanotechnology上報道。該團隊與普林斯頓大學和普渡大學以及Istituto Italiano di Tecnologia的同事合作，通過在半導體器件中首次重建石墨烯的電子結構，設計了“人造石墨烯”。

“這個里程碑定義了凝聚態物質科學和納米加工領域的最新技術，”哥倫比亞工程學院應用物理和物理學教授，該研究的高級作者Aron Pinczuk說。“雖然人造石墨烯已經在光學，分子和光子晶格等其他系統中得到證明，但這些平臺缺乏半導體加工技術所提供的多功能性和潛力。半導體人造石墨烯器件可以成為探索新型電子開關，晶體管的平臺優越的性能，甚至可能是基于奇異的量子力學狀態存儲信息的新方法。“

石墨烯在21世紀初的發現在物理界產生了巨大的興奮，不僅因為它是真正的二維材料的真實世界實現，而且因為石墨烯中碳原子的獨特原子排列提供了一個平臺。測試在傳統材料系統中難以觀察到的新量子現象。由于其不尋常的電子特性，它的電子在散射之前可以傳播很長的距離嗎?石墨烯是一種優秀的導體。這些特性還顯示出其他獨特的特征，使電子表現得好像它們是接近光速的相對論粒子，賦予它們“常規”非相對論電子所不具備的奇異特性。

但石墨烯是一種天然物質，只有一種原子排列：石墨烯晶格中原子的位置是固定的，因此石墨烯上的所有實驗都必須適應這些限制。另一方面，在人造石墨烯中，晶格可以在很寬的間距和構型上進行設計，使其成為凝聚態物質研究人員的一種圣杯，因為它具有比天然材料更多樣的特性。

“這是一個迅速擴大的研究領域，我們正在發現以前無法獲得的新現象，”應用物理和應用數學系的教授兼該研究的共同作者Shalom Wind說。“當我們探索基于人造石墨烯電氣控制的新型器件概念時，我們可以釋放擴展先進光電子和數據處理領域的潛力。”

“這項工作實際上是人造石墨烯的一項重大進步。由于第一個理論預測，具有類石墨烯電子特性的系統可以人工創建并用圖案化的二維電子氣體進行調諧，直到哥倫比亞工作，沒有人成功直接觀察這些特性在工程半導體納米結構中，“加州大學伯克利分校物理學教授Steven G. Louie說。“以前使用分子，原子和光子結構的工作代表了不那么通用和穩定的系統。納米制造的半導體結構為探索激動人心的新科學和實際應用開辟了巨大的機會。”

研究人員利用傳統芯片技術的工具，在標準半導體材料砷化鎵中開發人造石墨烯。他們設計了一種分層結構，使電子只能在非常狹窄的層內移動，從而有效地創建2D板。他們使用納米光刻和蝕刻來圖案化砷化鎵：圖案化產生了六邊形網格點，其中電子被限制在橫向方向上。通過將這些被認為是“人造原子”的位置彼此足夠接近(相距約50納米)，這些人造原子可以在量子上進行機械相互作用，類似于原子在固體中共享電子的方式。

該團隊通過在其上照射激光并測量散射的光來探測人造晶格的電子狀態。散射光顯示出能量損失，這對應于電子能量從一種狀態到另一種狀態的轉變。當他們繪制這些過渡圖時，研究小組發現他們在所謂的“狄拉克點”周圍以線性方式接近零，電子密度消失，這是石墨烯的標志。

這種人造石墨烯與天然石墨烯相比具有幾個優點：例如，研究人員可以設計蜂窩晶格的變化以調節電子行為。由于量子點之間的間距遠大于天然石墨烯中的原子間距，研究人員可以通過應用磁場觀察更奇特的量子現象。

發現新的低維材料，如石墨烯和其他超薄，層狀范德華薄膜，展現出以前難以接近的令人興奮的新物理現象，為本研究奠定了基礎。“對我們的工作至關重要的是納米加工的令人印象深刻的進步，”Pinczuk指出。“這些為我們提供了一個不斷增加的工具箱，用于在納米尺度上創建無數高質量的圖案。這是一個在我們這個領域工作的物理學家的激動人心的時刻。”