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研究人員在一個(gè)納米化的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了人造石墨烯  上圖所示蝕刻的柱子定義了量子點(diǎn)（紅色標(biāo)記）排列在六邊形格子中的位置。當(dāng)量子點(diǎn)之間的間距足夠小時(shí)，電子就可以在它們之間移動(dòng)。圖片來(lái)源：哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院 “這為凝聚態(tài)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域定義了一個(gè)國(guó)家的最先進(jìn)的里程碑，”Aron Pinczuk說(shuō)，他是哥倫比亞工程和研究的資深作者，應(yīng)用物理學(xué)和物理學(xué)教授�！半m然人造石墨烯在光學(xué)、分子和光子晶格等其他系統(tǒng)中得到了證實(shí)，但這些平臺(tái)缺乏半導(dǎo)體加工技術(shù)的多功能性和潛力。半導(dǎo)體人工石墨烯器件可能是探索新型電子開(kāi)關(guān)、性能優(yōu)越的晶體管的平臺(tái)，甚至可能是基于奇異量子力學(xué)狀態(tài)存儲(chǔ)信息的新方法�！� 在本世紀(jì)初，石墨烯的發(fā)現(xiàn)在物理學(xué)界產(chǎn)生巨大的興奮，因?yàn)樗粌H是一個(gè)真正的二維材料的第一個(gè)真實(shí)的實(shí)現(xiàn)，也因?yàn)樵谑荚营?dú)特的原子結(jié)構(gòu)，可以用于測(cè)試新的量子現(xiàn)象，并且為很難在傳統(tǒng)材料系統(tǒng)中的某些研究觀察提供了一個(gè)平臺(tái)。電子具有不尋常的電子性質(zhì)，在散射之前，電子能走很遠(yuǎn)的距離，石墨烯是一種杰出的導(dǎo)體。這些特性還表現(xiàn)出其他的特性，使電子表現(xiàn)為它們是相對(duì)接近光的速度的相對(duì)論粒子，賦予它們“常規(guī)的”非相對(duì)論性電子沒(méi)有的奇異性質(zhì)。 但是石墨烯是一種天然物質(zhì)，只有一種原子排列：石墨烯晶格中原子的位置是固定的，因此石墨烯上所有的實(shí)驗(yàn)都必須適應(yīng)這些限制。另一方面，在人造石墨烯中，晶格可以在很寬的間距和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之成為凝聚態(tài)研究人員的“圣杯”，因?yàn)樗哂斜忍烊徊牧细鼜V泛的性能。 “這是一個(gè)迅速發(fā)展的研究領(lǐng)域，我們發(fā)現(xiàn)了新的現(xiàn)象，這在之前還沒(méi)曾出現(xiàn)過(guò)，”Shalom Wind說(shuō)，他是應(yīng)用物理系的教員，致力于應(yīng)用數(shù)學(xué)的研究，且是論文的合著者�！爱�(dāng)我們探索基于人造石墨烯的電氣控制的新設(shè)備概念時(shí)，我們可以打開(kāi)在先進(jìn)光電子學(xué)和數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域開(kāi)拓前沿的潛力�！�  上圖中綠色層代表電子能移動(dòng)的二維薄片。納米光刻和刻蝕形成小柱子下面是安排在一個(gè)六角形晶格的量子點(diǎn)。底部的掃描電子顯微照片顯示六邊形陣列，其周期只有50納米。 這項(xiàng)工作真的是人造石墨烯的一大進(jìn)步。自從第一個(gè)理論預(yù)測(cè)系統(tǒng)的類石墨烯的電子性質(zhì)可以人為地創(chuàng)造和有圖案的二維電子氣的調(diào)整，但這種嘗試還未能成功過(guò)，直到哥倫比亞工作，直接觀察這些特點(diǎn)設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)，”Steven G. Louie說(shuō)，他是伯克利加利福尼亞大學(xué)物理學(xué)的教授�！耙郧皩�(duì)分子、原子和光子結(jié)構(gòu)的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于通用和穩(wěn)定的系統(tǒng)。奈米半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的開(kāi)放探索是令人興奮的新的科學(xué)和實(shí)際應(yīng)用方面的巨大機(jī)遇�！� 研究人員利用常規(guī)芯片技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體材料鎵砷化物中的人造石墨烯。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種分層結(jié)構(gòu)，使電子只能在很窄的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而有效地制造二維薄片。他們用光刻和蝕刻圖案砷化鎵：模式創(chuàng)建一個(gè)六邊形格子的網(wǎng)站中的電子被限制在橫向方向。通過(guò)放置這些可以被認(rèn)為是“人造原子”的位置，足夠接近彼此（相距50納米），這些人造原子可以機(jī)械地相互作用，類似于原子在固體中共享電子的方式。 研究小組通過(guò)在晶格部分激發(fā)激光來(lái)探測(cè)人造晶格的電子態(tài)，并測(cè)量散射的光。散射光顯示出能量損失，這相當(dāng)于電子能量從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)他們繪制這些躍遷圖時(shí)，研究小組發(fā)現(xiàn)它們以線性的方式接近零，稱為“狄拉克點(diǎn)”，在那里，電子密度消失，這是石墨烯的一個(gè)標(biāo)志。 這種人造石墨烯比天然石墨烯有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：例如，研究人員可以設(shè)計(jì)成蜂窩狀晶格來(lái)調(diào)節(jié)電子行為。由于在天然石墨烯中量子點(diǎn)的間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原子間的間距，所以研究人員可以利用磁場(chǎng)來(lái)觀察更奇特的量子現(xiàn)象。 發(fā)現(xiàn)新的低維度的材料，如石墨烯和其他超薄，層狀范德瓦爾斯薄膜，可以表現(xiàn)出令人興奮的新的物理現(xiàn)象，這在以前是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，這也奠定了這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)。我們的工作真是令人印象深刻的進(jìn)步，將是納米材料制備的關(guān)鍵，Pinczuk說(shuō)。這些為我們提供了一個(gè)不斷增長(zhǎng)的工具箱，用于在納米尺度上創(chuàng)造無(wú)數(shù)的高質(zhì)量模式。這對(duì)于我們這種在物理學(xué)領(lǐng)域工作的研究人員來(lái)說(shuō)，這個(gè)研究成果的顯現(xiàn)是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻。 |
