納米電子學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)緊迫任務(wù)是尋找一種可替代硅的材料。幾十年來，石墨烯似乎很有前景。但由于破壞性的處理方法和缺乏新的電子范式，它的潛力在發(fā)展過程中動(dòng)搖了。隨著硅在適應(yīng)快速計(jì)算方面的能力幾乎達(dá)到極限，現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都更需要下一個(gè)大型納米電子平臺(tái)。

美國佐治亞理工學(xué)院研究人員開發(fā)了一種新的基于石墨烯的納米電子學(xué)平臺(tái)。該技術(shù)可以與傳統(tǒng)的微電子制造兼容，有助于制造出更小、更快、更高效和更可持續(xù)的計(jì)算機(jī)芯片，并對量子和高性能計(jì)算具有潛在影響。近日，該研究以“An epitaxial graphene platform for zero-energy edge state nanoelectronics” 為題發(fā)表在?Nature Communications?上。

在碳化硅襯底芯片上生長的石墨烯器件

圖片來源：佐治亞理工學(xué)院

研究人員稱，石墨烯的力量在于其平坦的二維結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由已知最強(qiáng)的化學(xué)鍵結(jié)合在一起。相較于硅，石墨烯可微型化的程度更深、能以更高的速度運(yùn)行并產(chǎn)生更少的熱量。原則上，單一的石墨烯芯片要比硅芯片內(nèi)可封裝更多器件。

構(gòu)建平臺(tái)

為了創(chuàng)建新的納米電子學(xué)平臺(tái)，研究人員在碳化硅晶體基板上創(chuàng)建了一種改良形式的外延石墨烯，用電子級(jí)碳化硅晶體生產(chǎn)了獨(dú)特的碳化硅芯片。

研究人員使用電子束光刻來雕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)并將其邊緣焊接到碳化硅芯片上。這個(gè)過程機(jī)械地穩(wěn)定和密封石墨烯的邊緣，否則它會(huì)與氧氣和其他可能干擾電荷沿邊緣運(yùn)動(dòng)的氣體發(fā)生反應(yīng)。

佐治亞理工學(xué)院物理學(xué)教授Walter De Heer 的專利感應(yīng)爐用于在碳化硅上生產(chǎn)石墨烯

來源：佐治亞理工學(xué)院

最后，為了測量石墨烯平臺(tái)的電子特性，研究團(tuán)隊(duì)使用了一種低溫設(shè)備，使他們能夠記錄從接近零攝氏度到室溫下的特性。

觀察邊緣狀態(tài)

團(tuán)隊(duì)在石墨烯邊緣態(tài)觀察到的電荷類似于光纖中的光子，可在不散射的情況下傳播很遠(yuǎn)的距離。他們發(fā)現(xiàn)電荷在散射前沿著邊緣移動(dòng)了數(shù)萬納米。而先前技術(shù)中的石墨烯電子在撞到小缺陷并向不同方向散射之前，只能行進(jìn)約10納米。

在金屬中，電流由帶負(fù)電的電子攜帶。但與研究人員的預(yù)期相反，他們的測量表明邊緣電流不是由電子或空穴攜帶的，而是由一種不同尋常的準(zhǔn)粒子攜帶的，這種準(zhǔn)粒子既沒有電荷也沒有能量，但運(yùn)動(dòng)時(shí)沒有阻力。盡管是單個(gè)物體，但觀察到混合準(zhǔn)粒子的成分在石墨烯邊緣的相對側(cè)移動(dòng)。

團(tuán)隊(duì)表示，其獨(dú)特的性質(zhì)表明，準(zhǔn)粒子可能是物理學(xué)家?guī)资陙硪恢毕Ｍ玫牧Ｗ印R約拉納費(fèi)米子。

文獻(xiàn)信息：

Vladimir S. Prudkovskiy, Yiran Hu, Kaimin Zhang, Yue Hu, Peixuan Ji, Grant Nunn, Jian Zhao, Chenqian Shi, Antonio Tejeda, David Wander, Alessandro De Cecco, Clemens B. Winkelmann, Yuxuan Jiang, Tianhao Zhao, Katsunori Wakabayashi, Zhigang Jiang, Lei Ma, Claire Berger, Walt A. de Heer.?An epitaxial graphene platform for zero-energy edge state nanoelectronics.?Nature Communications, 2022; 13 (1)?DOI:?10.1038/s41467-022-34369-4

來源：佐治亞理工學(xué)院