Nye teknikker producerer reneste grafen endnu

Columbia Engineering forskere har eksperimentelt demonstreret for første gang, at det kun er muligt at komme i kontakt med et atomtyndt todimensionalt (2D) materiale langs dets endimensionale (1D) kant, frem for at kontakte den ovenfra, hvilket har været den konventionelle tilgang. Med denne nye kontaktarkitektur, de har udviklet en ny samlingsteknik til lagdelte materialer, der forhindrer kontaminering ved grænsefladerne, og, ved hjælp af grafen som model 2D -materiale, viser, at disse to metoder i kombination resulterer i det reneste grafen, der endnu er realiseret. Undersøgelsen er offentliggjort i Videnskab den 1. november, 2013.

"Dette er et spændende nyt paradigme inden for materialeteknik, hvor i stedet for den konventionelle tilgang til lag for lag -vækst, hybridmaterialer kan nu fremstilles ved mekanisk samling af bestanddele 2D -krystaller, "siger professor i elektroteknik, Ken Shepard, medforfatter af papiret. "Ingen anden gruppe har været i stand til at opnå en ren kantkontaktgeometri til 2D-materialer, såsom grafen."

Han tilføjer, at tidligere bestræbelser har set på, hvordan man kan forbedre 'topkontakter' ved yderligere teknik såsom tilføjelse af dopemidler:"Vores nye kantkontaktgeometri giver mere effektiv kontakt end den konventionelle geometri uden behov for yderligere kompleks behandling. Der er nu mange flere muligheder i jagten på både enhedsapplikationer og grundlæggende fysikundersøgelser. "

Først isoleret i 2004, grafen er det bedst studerede 2D-materiale og har været genstand for tusinder af papirer, der studerer dets elektriske adfærd og apparatapplikationer. "Men i næsten alt dette arbejde, grafens ydelse forringes ved eksponering for kontaminering, "bemærker professor i maskinteknik, James Hone, som også er medforfatter til undersøgelsen." Det viser sig, at problemerne med forurening og elektrisk kontakt er forbundet. Alt højtydende elektronisk materiale skal være indkapslet i en isolator for at beskytte det mod miljøet. Graphen mangler evnen til at lave bindinger uden for flyet, hvilket gør elektrisk kontakt gennem overfladen vanskelig, men forhindrer også binding til konventionelle 3D -isolatorer såsom oxider. I stedet, de bedste resultater opnås ved hjælp af en 2D -isolator, som ikke behøver at lave bindinger på overfladen. Imidlertid, der har ikke været mulighed for elektrisk adgang til et fuldt indkapslet grafenark indtil nu. "

I dette arbejde, siger Cory Dean, som ledede forskningen som postdoc i Columbia og nu er adjunkt ved The City College i New York, teamet løste både kontakt- og forureningsproblemerne på én gang. "Et af de største aktiver ved 2D -materialer som grafen er, at det kun er et atom tykt, vi har direkte adgang til dets elektroniske egenskaber. På samme tid, dette kan være et af dets værste træk, da dette gør materialet ekstremt følsomt for miljøet. Enhver ekstern forurening forringer hurtigt ydeevnen. Behovet for at beskytte grafen mod uønsket lidelse, mens den stadig tillader elektrisk adgang, har været den mest betydelige vejspærring, der forhindrer udvikling af grafenbaserede teknologier. Ved kun at komme i kontakt med 1D -kanten af ​​grafen, vi har udviklet en helt ny måde at bygge bro mellem vores 3D -verden og denne fascinerende 2D -verden, uden at forstyrre dens iboende egenskaber. Dette eliminerer praktisk talt ekstern forurening og giver endelig grafen mulighed for at vise sit sande potentiale i elektroniske enheder "

Forskerne indkapslede fuldstændigt 2D -grafenlaget i en sandwich af tynde isolerende bornitridkrystaller, ved at anvende en ny teknik, hvor krystallag stables en efter en. "Vores tilgang til samling af disse heterostrukturer eliminerer fuldstændig enhver kontaminering mellem lag, "Dean forklarer, "som vi bekræftede ved at tværsnitte enhederne og billeddanne dem i et transmissionselektronmikroskop med atomopløsning."

Når de havde oprettet stakken, de ætsede den for at afsløre kanten af ​​grafenlaget, og derefter fordampet metal på kanten for at skabe den elektriske kontakt. Ved at tage kontakt langs kanten, teamet realiserede en 1D -grænseflade mellem det 2D aktive lag og 3D metalelektroden. Og, selvom elektroner kun kom ind ved 1D -atomkanten af ​​grafenarket, kontaktmodstanden var bemærkelsesværdig lav, når 100 Ohm pr. mikron kontaktbredde - en værdi mindre end hvad der kan opnås for kontakter på grafenoverfladen.

Med de to nye teknikker - kontaktarkitekturen gennem 1D -kanten og stablingssamlingsmetoden, der forhindrer kontaminering ved grænsefladerne - var teamet i stand til at producere det, de siger, er det "reneste grafen, der endnu er realiseret." Ved stuetemperatur, disse enheder udviser tidligere uopnåelig ydeevne, herunder elektronmobilitet mindst dobbelt så stor som ethvert konventionelt 2D -elektronsystem, og arkresistivitet mindre end 40 Ohm, når der tilføjes tilstrækkelige ladninger til arket ved elektrostatisk "gating". Overraskende, denne 2D -arkmodstand svarer til en "bulk" 3D -resistivitet, der er mindre end for ethvert metal ved stuetemperatur. Ved lav temperatur, elektroner bevæger sig gennem teamets prøver uden at spredes, et fænomen kendt som ballistisk transport. Ballistisk transport, tidligere var blevet observeret i prøver tæt på en mikrometer i størrelse, men dette arbejde viser den samme adfærd i prøver så store som 20 mikrometer. "Indtil videre er dette begrænset udelukkende af enhedsstørrelse, "siger Dean, "hvilket indikerer, at den sande 'iboende' adfærd er endnu bedre."

Teamet arbejder nu på at anvende disse teknikker til at udvikle nye hybridmaterialer ved mekanisk samling og kantkontakt af hybridmaterialer, der trækker fra hele pakken med tilgængelige 2D -lagdelte materialer, herunder grafen, bornitrid, overgangsmetaldichlcogenider (TMDC'er), overgangsmetaloxider (TMO'er), og topologiske isolatorer (TI'er). "We are taking advantage of the unprecedented performance we now routinely achieve in graphene-based devices to explore effects and applications related to ballistic electron transport over fantastically large length scales, " Dean adds. "With so much current research focused on developing new devices by integrating layered 2D systems, potential applications are incredible, from vertically structured transistors, tunneling based devices and sensors, photoactive hybrid materials, to flexible and transparent electronics."

"This work results from a wide collaboration of researchers interested in both pure and applied science, " says Hone. "The unique environment at Columbia provides an unparalleled opportunity for these two communities to interact and build off one another."

The Columbia team demonstrated the first technique to mechanically layer 2D materials in 2010. These two new techniques, which are critical advancements in the field, are the result of interdisciplinary efforts by Lei Wang (PhD student, Electrical Engineering, Hone group) and Inanc Meric (Postdoc, Electrical Engineering, Shepard group), co-lead authors on this project who worked with the groups of Philip Kim (Physics and Applied Physics and Applied Mathematics, Columbia), James Hone (Mechanical Engineering, Columbia), Ken Shepard (Electrical Engineering, Columbia) and Cory Dean (Physics, City College of New York).