Искусственный графен изменит определение высочайшего уровня нанотехнологий

В начале этого века открытие графена вызвало большой резонанс в физическом сообществе. Как первый двумерный материал, появившийся в реальном мире, он быстро стал любимцем ученых. Но как природное вещество графен имеет только одно фиксированное расположение атомов, поэтому все эксперименты с графеном должны адаптироваться к этим ограничениям. Однако недавно специалисты Колумбийского университета создали полупроводниковое «искусственное графеновое» устройство с лучшими характеристиками, которое отлично решает эту проблему.

Уникальное расположение атомов углерода в графене обеспечивает платформу для тестирования новых квантовых явлений, которые трудно наблюдать в традиционных материалах. Обладая необычными электронными свойствами: его электроны могут путешествовать на большое расстояние до рассеяния, а графен - превосходный проводник. Эти свойства также показывают другие уникальные свойства, благодаря которым электроны кажутся близкими к скорости света. Как и частицы, он имеет особые свойства, которых нет у нерелятивистских электронов. Однако положение атомов в решетке графена фиксировано. Напротив, шаг и конфигурация решетки в искусственном графене можно свободно задавать в большом интервале. Эта мощная универсальность делает искусственный графен сокровищем в глазах исследователей в области конденсированного состояния.

Исследование проводилось экспертами инженерного факультета Колумбийского университета, специализирующимися на работе с наноразмерными материалами. Благодаря сотрудничеству с коллегами из Принстонского университета, Университета Пердью и Итальянского университета науки и технологий, команда впервые изменила электронную структуру графена в полупроводниковых устройствах. Таким образом, был получен новый тип «искусственного графена».

Рисунок | Столбы травления относятся к положению квантовых точек (красных ямок) в гексагональной решетке. Когда расстояние между квантовыми точками достаточно мало, электроны могут перемещаться между ними. (Источник: Диего Скарабелли / Департамент инженерии Колумбийского университета)

Арон Пинчук, профессор прикладной физики и физики инженерного факультета Колумбийского университета, сказал: «Эта веха изменила определение высочайшего уровня науки о конденсированных средах и нанотехнологий. Хотя искусственный графен применялся в оптике и других системах, таких как молекулы и фотоны, но этим платформам не хватает универсальности, которую может обеспечить технология обработки полупроводников. Полупроводниковые устройства с искусственным графеном могут стать платформой для исследования новых электронных переключателей, высокопроизводительных транзисторов и даже новых методов хранения информации о квантовом состоянии.

Шалом Винд, соавтор кафедры прикладной физики и прикладной математики, сказал: «Это быстро развивающаяся область исследований. Сейчас обнаружено много новых явлений, которые ранее были недостижимы. По мере того, как мы продолжаем исследовать использование электрического управления искусственный графен с помощью новых устройств, мы можем раскрыть больший потенциал графена в области оптоэлектроники и обработки данных ».

«Эта работа на самом деле является крупным достижением в технологии искусственного графена. Предыдущие теории предсказывали, что электронные системы на основе графена были созданы вручную и настроены с помощью графического двумерного электронного газа. Но до этого времени в исследованиях Колумбийского университета. Никто не наблюдал успешно эти особенности в инженерных полупроводниковых наноструктурах ", - сказал Стивен Г. Луи, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли. «Предыдущие эксперименты с молекулярной, атомной и фотонной структурой могут представлять только системы с плохой универсальностью и стабильностью. Эта структура нанополупроводников открывает новые возможности для исследования новых наук и их практического применения.

Исследователи используют инструменты в традиционной технологии чипов для разработки искусственного графена в стандартных полупроводниках из арсенида галлия. Они разработали слоистую структуру, так что электроны могут перемещаться только внутри очень узкого слоя, эффективно создавая 2D-плоскость. Они использовали нанолитографию и травление, чтобы охарактеризовать арсенид галлия: после определения характеристик арсенид галлия образовал гексагональную решетку, которая удерживает электроны в латеральном направлении. Помещая эти так называемые «искусственные атомы» достаточно близко друг к другу (на расстоянии около 50 нанометров), эти искусственные атомы могут взаимодействовать квантово-механическим способом, подобно тому, как атомы делят свои электроны в твердых телах.

Нанолитография и травление образуют небольшие столбы, а квантовые точки под ними расположены в гексагональной решетке. Сканирование электронной микрофотографии внизу показывает гексагональную решетку с периметром всего в 50 нанометров от вершины. (Источник: Диего Скарабелли / Columbia Engineering)

Группа определяет электронное состояние искусственной решетки путем облучения лазером и измеряет рассеянный свет. Рассеянный свет может показать потерю энергии при переходе электрона из одного состояния в другое. Когда они нанесли на карту эти переходы состояний, команда обнаружила, что они приближаются к нулю линейным образом, близко к «точке Дирака», характеристике графена, при которой электронная плотность исчезает.

Этот искусственный графен имеет много преимуществ перед естественным графеном: например, исследователи могут регулировать электронное поведение, регулируя решетку ячеек. А поскольку расстояние между квантовыми точками намного больше, чем расстояние между атомами в природном графене, исследователи могут наблюдать более экзотические квантовые явления под действием магнитных полей.

Открытие графена и других новых низкоразмерных материалов (таких как сверхтонкие слоистые пленки Ван-дер-Ваальса) заложило основу для этого исследования. Пинчук отметил: «Предыдущие достижения в технологии нанопроизводства имеют решающее значение для этого исследования. Эти предыдущие исследования предоставили нам постоянно расширяющийся« набор инструментов », который мы можем использовать для изображения высококачественных узоров на бесчисленных наноразмерных масштабах. Это не преувеличение. говорят, что это открытие вдохновило наших физиков в этой области ».

Нобелевская премия по физике 2010 года привлекла внимание людей к графену. С момента своего открытия графен получил широкое внимание и постоянно совершенствовался, но он сталкивается со многими проблемами в текущих исследованиях и разработках технологий, но эти проблемы также являются благодатной почвой для наших будущих исследований. Если 20-й век будет веком кремния, графен создаст новую материальную эру в 21-м веке, которая принесет существенные изменения в мир. Мы считаем, что у графена и связанных с ним технологий светлое будущее.

Страница содержит содержимое машинного перевода.