工程师在纳米制造的半导体结构中制造人造石墨烯

哥伦比亚工程公司的研究人员，操纵纳米级物质的专家，在物理学和材料科学方面取得了重大突破，最近在Nature Nanotechnology上报道。该团队与普林斯顿大学和普渡大学以及Istituto Italiano di Tecnologia的同事合作，通过在半导体器件中首次重建石墨烯的电子结构，设计了“人造石墨烯”。

“这个里程碑定义了凝聚态物质科学和纳米加工领域的最新技术，”哥伦比亚工程学院应用物理和物理学教授，该研究的高级作者Aron Pinczuk说。“虽然人造石墨烯已经在光学，分子和光子晶格等其他系统中得到证明，但这些平台缺乏半导体加工技术所提供的多功能性和潜力。半导体人造石墨烯器件可以成为探索新型电子开关，晶体管的平台优越的性能，甚至可能是基于奇异的量子力学状态存储信息的新方法。“

石墨烯在21世纪初的发现在物理界产生了巨大的兴奋，不仅因为它是真正的二维材料的真实世界实现，而且因为石墨烯中碳原子的独特原子排列提供了一个平台。测试在传统材料系统中难以观察到的新量子现象。由于其不寻常的电子特性，它的电子在散射之前可以传播很长的距离吗?石墨烯是一种优秀的导体。这些特性还显示出其他独特的特征，使电子表现得好像它们是接近光速的相对论粒子，赋予它们“常规”非相对论电子所不具备的奇异特性。

但石墨烯是一种天然物质，只有一种原子排列：石墨烯晶格中原子的位置是固定的，因此石墨烯上的所有实验都必须适应这些限制。另一方面，在人造石墨烯中，晶格可以在很宽的间距和构型上进行设计，使其成为凝聚态物质研究人员的一种圣杯，因为它具有比天然材料更多样的特性。

“这是一个迅速扩大的研究领域，我们正在发现以前无法获得的新现象，”应用物理和应用数学系的教授兼该研究的共同作者Shalom Wind说。“当我们探索基于人造石墨烯电气控制的新型器件概念时，我们可以释放扩展先进光电子和数据处理领域的潜力。”

“这项工作实际上是人造石墨烯的一项重大进步。由于第一个理论预测，具有类石墨烯电子特性的系统可以人工创建并用图案化的二维电子气体进行调谐，直到哥伦比亚工作，没有人成功直接观察这些特性在工程半导体纳米结构中，“加州大学伯克利分校物理学教授Steven G. Louie说。“以前使用分子，原子和光子结构的工作代表了不那么通用和稳定的系统。纳米制造的半导体结构为探索激动人心的新科学和实际应用开辟了巨大的机会。”

研究人员利用传统芯片技术的工具，在标准半导体材料砷化镓中开发人造石墨烯。他们设计了一种分层结构，使电子只能在非常狭窄的层内移动，从而有效地创建2D板。他们使用纳米光刻和蚀刻来图案化砷化镓：图案化产生了六边形网格点，其中电子被限制在横向方向上。通过将这些被认为是“人造原子”的位置彼此足够接近(相距约50纳米)，这些人造原子可以在量子上进行机械相互作用，类似于原子在固体中共享电子的方式。

该团队通过在其上照射激光并测量散射的光来探测人造晶格的电子状态。散射光显示出能量损失，这对应于电子能量从一种状态到另一种状态的转变。当他们绘制这些过渡图时，研究小组发现他们在所谓的“狄拉克点”周围以线性方式接近零，电子密度消失，这是石墨烯的标志。

这种人造石墨烯与天然石墨烯相比具有几个优点：例如，研究人员可以设计蜂窝晶格的变化以调节电子行为。由于量子点之间的间距远大于天然石墨烯中的原子间距，研究人员可以通过应用磁场观察更奇特的量子现象。

发现新的低维材料，如石墨烯和其他超薄，层状范德华薄膜，展现出以前难以接近的令人兴奋的新物理现象，为本研究奠定了基础。“对我们的工作至关重要的是纳米加工的令人印象深刻的进步，”Pinczuk指出。“这些为我们提供了一个不断增加的工具箱，用于在纳米尺度上创建无数高质量的图案。这是一个在我们这个领域工作的物理学家的激动人心的时刻。”