Ingeniører skaber kunstig grafen i en nanofremstillet halvlederstruktur

Forskere ved Columbia Engineering, eksperter i at manipulere stof på nanoskala, har gjort et vigtigt gennembrud inden for fysik og materialevidenskab, for nylig rapporteret i Natur nanoteknologi . Arbejder med kolleger fra Princeton og Purdue Universiteter og Istituto Italiano di Tecnologia, holdet har konstrueret "kunstig grafen" ved at genskabe, for første gang, den elektroniske struktur af grafen i en halvlederenhed.

"Denne milepæl definerer en ny state-of-the-art inden for kondenseret stof videnskab og nanofabrikation, " siger Aron Pinczuk, professor i anvendt fysik og fysik ved Columbia Engineering og seniorforfatter af undersøgelsen. "Mens kunstig grafen er blevet demonstreret i andre systemer, såsom optiske, molekylær, og fotoniske gitter, disse platforme mangler den alsidighed og potentiale, der tilbydes af halvlederbehandlingsteknologier. Halvleder kunstige grafenenheder kunne være platforme til at udforske nye typer elektroniske switche, transistorer med overlegne egenskaber, og endda, måske, nye måder at lagre information på baseret på eksotiske kvantemekaniske tilstande."

Opdagelsen af ​​grafen i begyndelsen af ​​2000'erne skabte en enorm begejstring i fysiksamfundet, ikke kun fordi det var den første virkelighedsnære realisering af et ægte todimensionelt materiale, men også fordi det unikke atomarrangement af kulstofatomerne i grafen udgjorde en platform for test af nye kvantefænomener, som er svære at observere i konventionelle materialesystemer. Med sine usædvanlige elektroniske egenskaber - dens elektroner kan rejse store afstande, før de bliver spredt - er grafen en fremragende leder. Disse egenskaber viser også andre unikke egenskaber, der får elektroner til at opføre sig, som om de er relativistiske partikler, der bevæger sig tæt på lysets hastighed, giver dem eksotiske egenskaber, der "almindelige, "ikke-relativistiske elektroner har ikke.

Men grafen, et naturligt stof, kommer kun i ét atomarrangement:atomernes positioner i grafengitteret er faste, og derfor skal alle eksperimenter med grafen tilpasse sig disse begrænsninger. På den anden side, i kunstig grafen kan gitteret konstrueres over en bred vifte af mellemrum og konfigurationer, gør det til en slags hellig gral for forskere i kondenseret stof, fordi det vil have mere alsidige egenskaber end det naturlige materiale.

"Dette er et hurtigt voksende forskningsområde, og vi afslører nye fænomener, som ikke kunne tilgås før, " siger Shalom Wind, fakultetsmedlem af afdelingen for anvendt fysik og anvendt matematik og medforfatter på undersøgelsen. "Når vi udforsker nye enhedskoncepter baseret på elektrisk kontrol af kunstig grafen, vi kan frigøre potentialet til at udvide grænserne inden for avanceret optoelektronik og databehandling."

"Dette arbejde er virkelig et stort fremskridt inden for kunstig grafen. Siden den første teoretiske forudsigelse om, at system med grafenlignende elektroniske egenskaber kan være kunstigt skabt og tunet med mønstret 2D elektrongas, ingen havde haft succes, indtil Columbia-arbejdet, ved direkte at observere disse karakteristika i konstruerede halvledernanostrukturer, " siger Steven G. Louie, professor i fysik, University of California, Berkeley. "Tidligere arbejde med molekyler, atomer og fotoniske strukturer repræsenterer langt mindre alsidige og stabile systemer. De nanofabrikerede halvlederstrukturer åbner enorme muligheder for at udforske spændende ny videnskab og praktiske anvendelser."

Forskerne brugte værktøjerne fra konventionel chipteknologi til at udvikle det kunstige grafen i et standard halvledermateriale, galliumarsenid. De designede en lagdelt struktur, så elektronerne kun kunne bevæge sig inden for et meget smalt lag, effektivt at skabe et 2D-ark. De brugte nanolitografi og ætsning til at mønstre galliumarsenidet:Mønstringen skabte et sekskantet gitter af steder, hvor elektronerne var begrænset i lateral retning. Ved at placere disse websteder, som kunne opfattes som "kunstige atomer, " tilstrækkelig tæt på hinanden (~ 50 nanometer fra hinanden), disse kunstige atomer kunne interagere kvantemekanisk, på samme måde som atomer deler deres elektroner i faste stoffer.

Holdet undersøgte de elektroniske tilstande af de kunstige gitter ved at skinne laserlys på dem og måle lyset, der var spredt. Det spredte lys viste et tab af energi, der svarede til overgange i elektronenergien fra en tilstand til en anden. Da de kortlagde disse overgange, holdet fandt ud af, at de nærmede sig nul på en lineær måde omkring det, der kaldes "Dirac-punktet", hvor elektrontætheden forsvinder, et kendetegn for grafen.

Denne kunstige grafen har flere fordele i forhold til naturlig grafen:f.eks. forskere kan designe variationer i honeycomb-gitteret for at modulere elektronisk adfærd. Og fordi afstanden mellem kvanteprikkerne er meget større end den interatomare afstand i naturlig grafen, forskere kan observere endnu flere eksotiske kvantefænomener ved anvendelse af et magnetfelt.

Opdagelsen af ​​nye lavdimensionelle materialer, såsom grafen og andre ultratynde, lagdelte van der Waals-film, der viser spændende nye fysiske fænomener, der tidligere var utilgængelige, lagt grunden til denne undersøgelse. "Det, der virkelig var afgørende for vores arbejde, var de imponerende fremskridt inden for nanofabrikation, " Pinczuk noter. "Disse tilbyder os en stadigt større værktøjskasse til at skabe et utal af højkvalitetsmønstre i nanoskala dimensioner. Det er en spændende tid at være fysiker, der arbejder inden for vores felt."