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新石墨烯生产工艺助力柔韧和透明电子产品
2013-11-15 | 编辑:enablesite | 【
哥伦比亚大学工程研究实验首次证明,可以从只有原子厚度的薄二维材料的一维边缘来进行电接触,而不是按照常规做法从其顶部接触。有了这样新的接触架构,研究人员已开发出一种新的层状材料组装工艺来防止接口污染。此外,使用石墨烯作为二维材料样品表明,这两种方法的结合会形成无污染石墨烯,该石墨烯目前尚未实现。
  这项研究发表在2013年11月1日的《科学》杂志上。
  电气工程教授、该论文合着者Ken Shepard表示:“这是材料工程中一个令人兴奋的新范式,与逐层增加的传统方法相比,现在可以通过二维晶体的机械组装来制造混合材料。从来没有人能够成功地实现像石墨烯这样的二维材料的纯边缘接触工艺。”
  他补充道:“早期的研究主要关注于如何通过其他工艺如添加掺杂剂等来改善‘顶部接触’。然而,新的边缘接触工艺比传统方法提供了更有效的接触,而无需进一步复杂的加工处理。这让我们研究设备应用和探索基础物理有了更多的可能性。”
  2004年首次剥离出石墨烯,它是可供研究的最好的二维材料,并已经成为数以千计的论文主题来研究其电气性能及设备应用。机械工程教授、也是该研究的合着者James Hone表示:“石墨烯接触污染物时,其性能会降低。这表明污染问题与电接触是紧密联系的。任何高性能的电子材料必须密封在绝缘体中以保护其不受环境的影响。石墨烯缺乏平面结合的能力,这使得表面的电接触变得十分困难,但这也防止其粘合到氧化物等常规三维绝缘体上。相反,通过使用二维绝缘体可获得最好的结果,而无需在其表面粘合。直到现在我们才找到了一种方法来对完全密封的石墨片进行电接触。”
  哥伦比亚大学博士后、该研究的领导者Cory Dean表示:“在这项工作中,我们团队同时解决了接触和污染的问题。二维材料最大资本之一的石墨烯只有一个原子的厚度,我们可以直接进入其电子结构。同时,这也可能成为它最差的特性之一,因为这使得它对环境极为敏感。任何外界的污染可以迅速降低其性能。保护石墨烯免受扰乱、同时还允许电接触的这种需要已经成为阻碍石墨烯技术发展的最大障碍。通过仅从石墨烯的一维边缘进行接触,我们已开发出一种重要的全新方式来连接我们的三维世界和这个迷人的二维世界,并且无需干扰其固有特性。这几乎消除了外界污染,最终允许石墨烯在电子设备中发挥其真正潜力。
  研究人员采用一种新技术将二维石墨烯层完全密封在一个薄的绝缘氮化硼晶体的夹层结构中,并且将这些晶体层一个接一个地堆叠在里面。Dean解释道:“我们组装这些异质结构的方法完全消除层与层之间的任何污染,这可以通过横切设备并观察其在原子分辨率的透射电子显微镜成像来证实。”
  一旦他们创建了堆栈,石墨烯的边缘就会暴露蚀刻,然后将金属蒸发到边缘来建立电接触。 通过沿边缘进行电接触,该团队实现了在二维有源层和三维金属电极之间的一维接触。此外,尽管电子仅从石墨片的一维原子边缘进入,但接触电阻是相当低的,可到达每微米100 Ohms的接触宽度,这比石墨烯顶面接触可实现的值更小。
  有了这两个新工艺,即通过一维边缘的接触架构和防止接口污染的堆栈组装方法,该团队能够生产“尚未实现的最干净的石墨烯”。在室温下,这些设备表现出以往所没有的性能,包括比任何传统二维电子系统至少大两倍的电子迁移率、当加入足够静电电荷到薄片时少于40 Ohms的薄层电阻率等。令人惊讶的是,这个二维薄层电阻相对于一个“大块”三维电阻率在常温下比其他金属电阻率更小。在低温下,电子通过样品时并不分散,这种现象被称为弹道传输。弹道传输在以往的样品中观察时是接近于1毫米的大小,但是这项工作证明样品中同样的行为有20毫米那么大。Dean 称:“距离远近纯粹受设备大小所限,这表明真正的‘本质’行为甚至会更好。”
  该团队目前正在运用机械组装和混合材料的边缘接触等工艺来开发新的复合材料。这些混合材料来自于全套可用的层状材料,包括石墨烯、氮化硼、过渡金属dichlcogenides (TMDCs)、过渡金属氧化物(TMOs)和拓扑绝缘体(TIs)。Dean补充道:“目前,我们正利用常规手段获得石墨烯设备前所未有的性能来探索大尺度弹道电子传输相关的一些效果和应用。有了这么多聚焦于正在开发的整合层状二维系统新设备的最新研究,那么石墨烯各种潜在应用会是令人难以置信的,其中包括垂直结构晶体管、隧道设备和传感器、光敏混合材料、高柔韧度和透明度的电子产品。”
  Hone称:“这项工作是对纯科学和应用科学感兴趣的研究人员广泛合作的结果。哥伦比亚大学独特的环境给这两个社区的人提供了互动且独立的绝佳机会。”
  哥伦比亚团队于2010年展示了机械二维材料层的第一个工艺。该领域取得重要进步的这两个新工艺是以下跨学科研究人员努力的成果:王磊(博士研究生,电气工程,Hone组)、Inanc Meric(博士后,电气工程,Shepard组)、共同撰稿人Philip Kim(物理与应用物理、应用数学,哥伦比亚)、James Hone(电气工程学院,哥伦比亚)、Ken Shepard(电气工程学院,哥伦比亚)以及Cory Dean(物理,纽约城市学院)。
摘自:电子工程网
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