电子器件小型化:石墨烯纳米带有望成为新一代方案

作者: cnpim CNPIM 2017年12月11日

导读

最近,美国加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA )的化学家们开出一种新方法制造出石墨烯纳米带。科学家们相信这种新一代结构未来将应用于电子产品,助力电子器件小型化。

背景

硅,是一种非金属元素,也是一种半导体材料,它广泛应用于制作半导体器件和集成电路。它外表光泽而易碎,是构成现代电子器件的关键成分之一。但是随着电子器件变得越来越小,采用硅制造出微型电子元器件变得更具挑战性,且价格昂贵。

拿硅基晶体管来说,7纳米堪称物理极限。一旦晶体管尺寸低于7纳米,电子的行为将受限于量子不确定性,晶体管中电子很容易产生隧穿效应,晶体管变得不再可靠,芯片制造面临巨大挑战。

为了面对这个挑战,让摩尔定律可以继续保持生机与活力,产业界和科学界都在开始寻找新材料,目标就是取代硅,生产出尺寸更小、性能更佳的电子元器件。据笔者之前介绍,这些新材料包括:纳米碳管和二硫化钼、黑磷、石墨烯、二硒化钨等等。

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(图片来源:Tatiana Shepeleva/Shutterstock)

石墨烯是一种导电材料,但是要发挥其半导体功能,还需要将它变成纳米带状,因为这样才会具有足够大的能量或者禁带宽度,从而成为纳米晶体管的关键组件。

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(图片来源:Empa)

创新

与上面介绍的研究案例相似,最近美国加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA )的化学家们又开发了一种新方法,制造出石墨烯纳米带。科学家们相信这种下一代结构,未来将应用于电子产品。

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(图片来源: Yves Rubin)

这项研究在线发表于《美国化学会杂志》(American Chemical Society)。

技术

纳米带是非常狭窄的石墨烯带,它只有几个碳原子的宽度。美国加利福尼亚大学洛杉矶分校化学教授、该研究的首作者 Yves Rubin 表示,纳米带非常有用,因为它们具有能带隙(bandgap),这意味着电子必须经过“推动”才能穿越它们,产生电流。

他表示,在没有能带隙的材料中,电子会不受阻碍地通过,所以这些材料无法用于创造出半导体逻辑电路。

Rubin 及其研究团队,在600度高温下,采用基于紫外线的简单反应,一个分子接着一个分子地制造出石墨烯纳米带。

加利福尼亚大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所的成员 Rubin 表示,其他人无法实现这项技术。但是如果有人想要在工业规模构建这些分子,这项技术则显得非常重要。

这项工艺是在现有方法的基础上进行改善,创造出石墨烯纳米带。其中一方案是剪开的石墨烯管,即碳纳米管。Rubin 表示,这种特殊方法并不精准,制造出的纳米带尺寸不一致,然而纳米带的能带隙作用主要取决于它的宽度。

为了创造出合适的纳米带,科学家开始生长四种不同的无色分子晶体。晶体在完美的方位上锁住分子,并发生反应。然后,团队使用光线将分子缝合成聚合体,而聚合体是由重复的碳原子和氢原子单元组成的大结构。

然后,科学家们将具有光泽的深蓝色聚合物放进一个仅含有氩气的烤箱中,加热至600摄氏度。这个热量为聚合物形成最终的连接提供了必要的能量。这种连接让纳米带形成最终的形状:有碳原子组成的六边形环,在每个碳原子边上有氢原子。

Rubin 表示,他们从根本上碳化这些聚合物,但是他们是以一种可控方式进行操作的。

这个过程大概进行一个小时,生产出只有8个碳原子宽度、几千个原子长度的石墨烯纳米带。科学家们验证了纳米带的分子结构,该纳米带的颜色是深黑色并且具有光泽,并且向它们照射不同波长的光线。

Rubin 表示,我们观察了吸收的光线波长。它揭示出了该结构的鲜明特征和纳米带的组成。

研究人员为该工艺申请了一个专利。Rubin 表示,他们团队正在研究如何更好地控制纳米带,挑战在于它们倾向于粘在一起。现在,它们是纤维束,下一步将能够一个一个地控制每个纳米带。

价值

这项研究代表了石墨烯纳米带研究和制造工艺的最新进展,同时也代表了石墨烯半导体特性的研究又上了一个新台阶。未来,石墨烯纳米带有望应用于纳米电子领域和新一代电子产品。


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