瑞士聯(lián)邦材料測(cè)試與開發(fā)研究所：石墨烯納米帶研究取得新成就

瑞士聯(lián)邦材料測(cè)試與開發(fā)研究所：石墨烯納米帶研究取得新成就


最近，瑞士聯(lián)邦材料測(cè)試與開發(fā)研究所、德國馬克斯普朗克聚合物研究所的同事和其他合作伙伴取得了重大突破，未來將用于精確的納米晶體管甚至量子計(jì)算機(jī)。

石墨烯是當(dāng)今最流行的新型材料之一，它是由單層碳原子組成的蜂窩結(jié)構(gòu)。它是世界上已知的最薄、最輕、最結(jié)實(shí)的材料。石墨烯被譽(yù)為新材料之王，對(duì)整個(gè)工業(yè)的影響將具有顛覆性，目前已應(yīng)用于柔性電子、高效晶體管、傳感器、新材料、電池、超級(jí)電容器、半導(dǎo)體制造、新能源、通信、電子器件等多個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。阿赫茨技術(shù)、醫(yī)療等。

石墨烯導(dǎo)電性能非常好，甚至比銅強(qiáng)。石墨烯中的碳原子以獨(dú)特的方式排列。電子很容易以高速通過，而散射則不容易。因此，它不會(huì)像其他導(dǎo)體那樣浪費(fèi)很多能量。

然而，石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)電性也成為一個(gè)重要的限制：它不適用于半導(dǎo)體應(yīng)用。眾所周知，硅是當(dāng)今最廣泛使用的半導(dǎo)體材料。它的帶隙足夠大，可以用來接通或斷開電流。這種能力對(duì)現(xiàn)代二進(jìn)制計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵元件晶體管至關(guān)重要。不幸的是，石墨烯沒有這樣的帶隙。

然而，石墨烯納米帶可以突破這一限制，充分發(fā)揮石墨烯的半導(dǎo)體潛能。納米帶只有幾個(gè)碳原子寬，一個(gè)碳原子厚。根據(jù)其形狀和寬度，納米帶將具有不同的電子性質(zhì)：導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。

為此，作者介紹了瑞士聯(lián)邦材料試驗(yàn)與發(fā)展研究所（EMPA）的研究人員與德國馬克斯普朗克聚合物研究所和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員合作，生產(chǎn)寬度僅為1納米、長度為50納米的石墨烯納米帶。以及制造只有幾個(gè)原子寬度的納米晶體管。

今天，讓我們繼續(xù)關(guān)注由瑞士聯(lián)邦材料測(cè)試與開發(fā)研究所（EMPA）納米技術(shù)表面實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊(duì)使用石墨烯納米帶所取得的新成就。

EMPA的研究人員與德國緬因州馬克斯普朗克聚合物研究所的同事以及其他合作伙伴取得了重大突破。他們通過獨(dú)特的改變石墨烯納米帶的形狀，成功地調(diào)整了其性能。這項(xiàng)技術(shù)的獨(dú)特之處在于，它不僅可以改變傳統(tǒng)的性能，而且還可以改變傳統(tǒng)的性能。上面提到過，但也可以用來產(chǎn)生獨(dú)特的局部量子態(tài)。

在不久的將來，它將被用于實(shí)現(xiàn)精確的納米晶體管甚至量子計(jì)算機(jī)，研究小組在最新一期的《自然》雜志上發(fā)表了研究結(jié)果。

那么，這項(xiàng)研究背后的機(jī)制是什么呢如果石墨烯納米帶的寬度發(fā)生變化，在這種情況下，從7個(gè)原子到9個(gè)原子，在過渡過程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)特殊的區(qū)域。由于這兩個(gè)區(qū)域的電子性質(zhì)因其特殊的拓?fù)淠Ｊ蕉煌虼嗽谶^渡區(qū)域中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的受保護(hù)且非常強(qiáng)大的量子態(tài)。這種局域性ZED電子量子態(tài)現(xiàn)在可以作為生產(chǎn)定制半導(dǎo)體、金屬或絕緣體的基本元件，甚至可以作為量子計(jì)算機(jī)的一部分。

當(dāng)石墨烯納米帶包含不同寬度的區(qū)域時(shí)，過渡區(qū)將產(chǎn)生新的量子態(tài)。

由Oliver Grning領(lǐng)導(dǎo)的EMPA研究人員可以證明，如果不同寬度的區(qū)域有規(guī)律地交替地由這些納米帶組成，將通過大量的轉(zhuǎn)換形成一個(gè)具有獨(dú)特電子結(jié)構(gòu)和互連的量子態(tài)鏈。令人興奮的是，這種量子態(tài)鏈的電子性質(zhì)HAIN根據(jù)不同分區(qū)的寬度而不同。這使得它們可以被微調(diào)，從導(dǎo)體到具有不同帶隙的半導(dǎo)體。這一原理可以應(yīng)用于不同類型的過渡區(qū)，如7到11個(gè)原子。

格寧說，獨(dú)立于我們的加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的一個(gè)研究小組也取得了類似的成果。這個(gè)事實(shí)也強(qiáng)調(diào)了這項(xiàng)研究和發(fā)展的重要性。美國研究小組的研究發(fā)表在同一期《自然》雜志上。

頂部（第1行）：混合納米帶由兩個(gè)不同的前體分子制成。左（?。┣绑w分子形成一個(gè)光滑的7個(gè)碳原子寬的納米帶。較大的前體分子形成7到11個(gè)碳原子寬度的菱形分區(qū)。

原子力顯微術(shù)（原子力顯微術(shù)）（第2行）：在石墨烯納米帶中間有五個(gè)菱形區(qū)（7-11區(qū)），在左右兩側(cè)有七個(gè)平滑的原子寬度納米帶，黑色的比例為1納米。

掃描隧道顯微術(shù)（第3行）：金剛石區(qū)域兩端的局部量子態(tài)（亮區(qū)）的顯微圖像。分區(qū)與上述AFM圖像相對(duì)應(yīng)。

掃描隧道顯微圖像的模擬（第4行）：實(shí)驗(yàn)中量子態(tài)如何出現(xiàn)在金剛石分區(qū)兩端的理論預(yù)測(cè)。

基于新的量子鏈，科學(xué)家們將能夠在未來制造出精確的納米晶體管，這將是朝著納米電子學(xué)目標(biāo)邁出的重要一步。狀態(tài)1和狀態(tài)0之間的切換距離是否足夠大取決于半導(dǎo)體的帶隙。根據(jù)這種新方法，幾乎可以隨意設(shè)置。

事實(shí)上，一切都不是那么簡單。為了使這條鏈具有所需的電子性質(zhì)，數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)原子必須處于正確的位置。EMPA研究人員Grning說：這是基于復(fù)雜的跨學(xué)科研究。來自Dubendorf、Mainz、Dresden和Troy（美國）的研究人員一起工作，從理論理解和具體知識(shí)（必須如何構(gòu)建前體分子以及表面結(jié)構(gòu)如何選擇性生長）到使用掃描隧道顯微鏡進(jìn)行結(jié)構(gòu)和電子分析。。

如今，電子電路變得越來越小。超小型晶體管將是下一個(gè)發(fā)展目標(biāo)，但也是本研究的一個(gè)明顯的應(yīng)用可能性。盡管技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，但基于納米晶體管的電子器件的工作方式與當(dāng)今的微電子器件基本相同。EMPA的研究人員已經(jīng)創(chuàng)造出了半導(dǎo)體納電子器件。將晶體管的溝道截面縮小到現(xiàn)在制造的晶體管的千分之一的Noribbon。然而，我們可以進(jìn)一步想象其他的可能性，如自旋電子學(xué)甚至量子信息學(xué)。

這是因?yàn)椴煌瑢挾鹊氖┘{米帶連接處的電子量子態(tài)也帶有磁矩。這使得它可以在不帶電荷的情況下處理信息（以前通常的方法），但使用所謂的自旋，也就是旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。相關(guān)的發(fā)展可以更進(jìn)一步。Oliver Grning解釋說：我們已經(jīng)觀察到拓?fù)浣Y(jié)束態(tài)出現(xiàn)在一個(gè)特定的量子子鏈的末端，可以作為量子比特的一部分，量子計(jì)算機(jī)中的一種復(fù)雜的互鎖態(tài)。

然而，在不久的將來，通過納米帶構(gòu)造量子計(jì)算機(jī)是不可能的，還有許多研究要進(jìn)行。Grning說，通過單量子態(tài)的目標(biāo)組合靈活調(diào)整電子特性是新材料生產(chǎn)的一個(gè)巨大飛躍。這些材料在一般環(huán)境條件下是穩(wěn)定的，在未來的應(yīng)用發(fā)展中將發(fā)揮重要作用。

格蘭寧說：將來，利用這些鏈來創(chuàng)造局部量子態(tài)，并以有針對(duì)性的方式將它們連接起來，也將具有巨大的潛力和吸引力，盡管這種潛力是否能被未來的量子計(jì)算機(jī)所利用還不得而知。在納米帶中創(chuàng)造局部拓?fù)鋺B(tài)還不夠，納米帶必須是成對(duì)的。d與其他材料，如超導(dǎo)體，在某種程度上滿足量子比特的實(shí)際條件。

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