2009年6月11日
石墨烯是二维晶体结构的碳,其非凡的电子迁移率和其他独特的功能纳米电子和光子的良好前景。但是有一个问题:石墨烯没有能带。
“没有能带极大的限制了石墨烯的应用在电子技术中,“风王的说美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室,他是材料科学部门的一员。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球“首先,您可以构建与石墨烯场效应晶体管,但如果没有能带你不能关闭它们!然而,如果你能实现石墨烯能带你应该能够做出非常好的晶体管。”
王,他也是一个物理系助理教授在加州大学伯克利分校,取得了。他和他的同事们设计了一个能带在双层石墨烯可以精确控制从0到250 milli-electron伏特(250伏,或为电动汽车)。
此外,他们的实验在室温下进行,不需要制冷设备的。在应用程序成为可能,这个突破新型nanotransistors -因为它的窄隙nano-LEDs和其他纳米光学设备红外范围。
研究人员描述他们的工作在6月11日的《自然》杂志。
构建一个双层石墨烯晶体管
与单层石墨烯的碳原子排列在“象”配置中,双层石墨烯——包括两个石墨烯层躺一个在那边,还有一个零隙,因此像金属一样。但可以介绍如果能带镜面对称的两层是干扰;然后像一个半导体的材料。
以前,2006年,研究人员在伯克利实验室的先进光源(ALS)观察到双层石墨烯的能带隙的哪一个被吸附化学掺杂金属原子层。但这种化学掺杂是不可控和不兼容设备应用程序。
“创建,特别是控制在双层石墨烯能带一位杰出的目标,”王说。“不幸的是化学掺杂是难以控制的。”
然后研究者们试图通过掺杂来优化双层石墨烯能带底物电而不是化学,使用垂直地应用,连续可调的电场。但是当这样的现场应用一门(电极),双分子层变得绝缘只在温度低于1度开尔文,接近绝对零度,暗示隙值远低于预测的理论。
王说,“这些结果很难理解电子究竟发生了什么,或者为什么。”
王先生和他的同事们做了两个关键的决定,导致他们成功的尝试引入并确定双层石墨烯的能带。首先是建立一个开口双分子层设备,华盈元博大张和Tsung-Ta唐捏造的加州大学伯克利分校物理系,允许团队独立调整电子能带和电荷掺杂。
设备是一个dual-gated场效应晶体管(FET),控制流的一种晶体管的电子从一个源流失与电场的门电极。他们nano-FET使用硅衬底作为门底部,利用薄层绝缘的二氧化硅和多层石墨烯层之间。一层透明氧化铝(蓝宝石)躺在石墨烯双分子层;除此之外是门顶部,是铂金的。
另一研究人员做出关键决定是为了更好地把握真正的设备在不同的电压。而不是试图测量隙通过测量设备的电阻,或运输,他们决定测量其光传输。
“传输测量的问题是,他们太敏感的缺陷,”王说。“极少量的杂质或缺陷掺杂可以创建一个大的变化在石墨烯的电阻和面具的内在行为的材料。这就是为什么我们决定使用光学测量的先进光源。”
使用红外beamline 1.4 ALS, ALS的指导下的物理学家迈克尔·马丁和赵郝地球科学部门,小王和他的同事们能够发送一个紧束光同步,集中在石墨烯层,通过设备。欧洲杯线上买球作为研究人员精确调谐的电场变化的电压门电极,他们能够测量光吸收变化的石墨烯层。每个光谱中的吸收峰提供了一个在每个门隙电压的直接测量。
“原则上我们可以用可调谐激光器测量光传输,但是1.4 beamline非常明亮,可以聚焦到衍射极限——graphene-flake目标过程中的重要考虑因素是如此之小,”王说。”相比,激光,beamline提供了一个广泛的频率,所以我们不必煞费苦心地调整每个吸收频率我们试图衡量。”
一样的双层石墨烯的电子结构
ALS测量得到的结果相对轻松地和效率,和显示,独立操作电压的两个大门,研究人员可以控制两个重要参数,能带隙的大小和程度的双分子层掺杂的石墨烯。在本质上,他们创造了一个虚拟的半导体材料,并非天生就是一个半导体。
在普通半导体导带之间的差距(由电子无人)的价带(被电子占据)是有限的,由材料的晶体结构和固定。然而,在双层石墨烯,作为王的团队证明,能带是可变的,可以由一个电场控制。尽管原始石墨烯双分子层隙为零,进行像金属一样,一个封闭的双层有隙大如250 milli-electron伏特和行为像一个半导体。
精确控制的能带隙范围广泛,加上独立操作的电子态通过电子掺杂,dual-gated双层石墨烯纳米电子设备变成了一个非常灵活的工具。
王毅强调,这些第一次实验只是开始。“我们的演示设备的电气性能仍然是有限的,和有很多线路改进,例如通过额外的措施来净化衬底。”
然而,他说,“我们已经证明了我们可以任意改变双层石墨烯的能带隙从0到250 milli-electron伏在室温下,非凡的本身,显示了纳电子学双层石墨烯的潜力。这是一个窄隙比普通半导体硅或砷化镓等,它可以使新型光电设备生成,放大和检测红外线。”