新工藝讓石墨烯擁有可調、穩定帶隙成為可能

2021-01-09 電子產品世界

編者按：雖然多年來已經有了許多能在石墨烯中產生帶隙的方法，但是仍存在不少反對在數字電子器件中使用石墨烯的人，他們堅稱石墨烯缺乏固有的帶隙。不知道他們看到這篇新聞會怎麼想。

　　用肉眼看來，圖片內部的虛線三角形表示石墨烯中氮原子的最臨近區域，而外部三角形的三個角則位於第二和第三臨近區域間的電子密集位置。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201606/293046.htm



　　圖片來自美國海軍研究實驗室/ ACS Nano雜誌

　　氮摻雜一直都是在石墨烯裡產生穩定帶隙的眾多方法中最有前途的方法之一，它實際上是增加了材料的導電率。現在，美國海軍研究實驗室(NRL)的研究人員已經開發出了新的石墨烯氮摻雜技術，該項技術可以精確地控制氮摻雜劑在石墨烯晶格中的位置，這種精確性極大地降低了體系缺陷，並且穩定性也有了明顯提升。

　　來自NRL的研究人員，同時也是該論文的共同作者Cory Cress在接受電子郵件採訪時解釋說，「氮摻入石墨烯晶格已經能夠通過其他技術完成，包括在生長期和後生長期的退火工藝等。不過，目前已採用的技術在控制摻雜物的位置上存在明顯的差異，包括空間上和深度上的差異(如果使用多層石墨烯樣品)。在一般情況下雜質的置換，比如氮，如果沒有額外缺陷的話會是修改能帶結構的理想摻雜，因為它最好地保持了石墨烯的基本傳輸能力。」

　　氮原子作為石墨烯摻雜劑，具有十分特殊的性質。這是基於它比碳原子多了一個額外的電子。氮原子被放置到石墨烯晶格內時，所有的鍵都保持完整，並且有額外的電子可以在整個石墨烯層內自由移動。這增加了材料中電子的濃度(也稱為n型摻雜)，也相應地增強了導電性。

　　先前的研究已經發現，在石墨烯中製造點缺陷(例如移除一個碳原子)不會改變固有的摻雜水平，Cress對此表示，「換句話說，石墨烯中的缺陷是電中性的，這樣他們就不能可控地引入一個帶隙，儘管缺陷散射的增加會降低電子的傳輸。」

　　儘管其它摻雜劑在一定程度上會失敗，但氮原子是石墨烯的理想n型摻雜劑，NRL的研究人員已經使用了超高溫離子注入(HyTII)技術來摻入氮原子。由於氮原子和碳原子有著類似的質量和尺寸，成功替換的概率大大提高。

　　NRL的研究人員已經在ACS Nano期刊上描述了他們的HyTII過程，而表徵和測量材料的結果發布在Physical Review B上。

　　在他們的測量中，NRL的研究人員觀察到了大的負磁阻，磁阻的尺寸與氮原子注入的濃度和帶結構的改變相關，由於氮原子位於晶格中並且性能是固定的，因此可以通過控制氮原子的含量精確調節。

　　參與研究的NRL物理學家，論文的第一作者Adam L. Friedman在新聞發布會上說：「這些設備的測量結果強烈表明，我們最終製成了帶有可調帶隙的石墨烯薄膜，同時兼有低缺陷密度和高穩定性的特點。因此，我們推測HyTII石墨烯薄膜在電子或自旋電子這些要求高質量石墨烯的應用領域會有著巨大的潛力。」


相關焦點

  • 科學家發現調控石墨烯的帶隙新方法
    /380723.htm　　近日，由哥倫比亞大學領導的國際研究團隊已經開發出一種新技術，通過壓縮操縱石墨烯的電導率，使石墨烯材料更接近於成為當今電子器件中可用的半導體材料。我們的工作首次確立了在不影響其質量的情況下，實現了對石墨烯帶隙的有效調控。 如果將該項技術應用於其它有趣的二維材料的組合，有可能會導致新的發現，如磁性，超導性等。　　自十多年前首次被人們發現以來，石墨烯證明了而且材料可以在宏觀條件下穩定存在。石墨烯是一種二維(2D)材料，由六邊形碳原子組成，這種不尋常的電子特性激發了物理學界的興趣。 石墨烯是已知存在的強度最強、厚度最薄的材料。
  • 新材料二硫化鉬曝光,性能堪比石墨烯,還具有帶隙
    打開APP 新材料二硫化鉬曝光,性能堪比石墨烯,還具有帶隙 發表於 2017-10-26 14:56:40 　　石墨烯自2004年被發現之後，就以猛虎的勢力進入科研人員的視線，它巨大的潛力吸引了眾多的電池廠商。
  • 美國科學院院報:北京高壓科學研究中心科學家打開石墨烯帶隙
    海歸學者發起的公益學術平臺分享信息，整合資源交流學術，偶爾風月石墨烯的發現獲得了2010年諾貝爾物理獎, 從此厚載眾望, 盼將取代矽基半導體, 引發新一輪科技革命。然而，科學家們經過多年的努力，才將石墨烯的零帶隙打開至0.3 eV，遠遠低於應用要求。
  • 黑磷來了,石墨烯怕了嗎?
    但現在它的一個「親戚」——黑磷，具備低成本的製造工藝，有望替代石墨烯，成為下一個新材料金礦。同石墨烯一樣，黑磷在製備過程中也存在難以克服的困難，它有多層結構，為了得到所期望的二維片層，這些多層需要通過剝離工藝一層層分離開。據國外媒體報導，都柏林三一學院的材料學家最近成功解決了這個問題。他們發現，通過將黑磷浸沒在溶液中，然後用聲波轟炸它，而不是通過層層剝離，可以達到同樣的效果，並且整個過程更容易、更便宜。
  • 石墨烯電晶體超強的性能——將會取代矽電晶體
    然而，石墨烯是不同的。在一個六邊形圖案中，每個碳原子與另外3個相連，每個碳原子留下1個電子。電子可以毫無阻力地穿過整個結構，有效地使石墨烯成為導體。這是有問題的，因為我們需要石墨烯成為半導體。半導體由帶隙定義。帶隙是激發電子從其價帶（其不能導電）躍遷到導帶（其可以導電）所需的能量。
  • Y5T51 帶隙、直接帶隙、間接帶隙
    這個圖，是很多專家們用來解釋「為什麼「雷射器材料的選擇，用直接帶隙材料容易發光，而間接帶隙材料則很難發光」
  • 天津大學封偉團隊在帶隙可調的新型鍺矽基半導體二維原子晶體研究...
    近日，天津大學封偉教授團隊在半導體二維原子晶體的可控制備和帶隙調控研究上取得重要突破：在理論計算和結構設計的基礎上，採用-H/-OH封端二元鍺矽烯，首次獲得了具有帶隙可調控的二維層狀鍺矽烷(gersiloxene)。
  • 帶曲率補償、工作電壓1.2 V、可調帶隙基準電壓電路
    衡量帶隙基準電壓性能一般採用兩個參數，溫度係數(Temperature Coefficient，TC)和電源電壓抑制比(Power Supply Rejection Ratio，PSRR)。圖1所示為常規帶隙基準電壓電路。
  • 日本全球首次精確合成出石墨烯納米帶
    此次製作的GNR寬約2納米，相當於17個原子，與電流易流動性相關的 「帶隙」 僅0.6eV左右，作為既可以成為絕緣體也可以成為導體的半導體材料，表現出了最佳性質。石墨烯是碳原子以單層原子的厚度呈六角形晶格狀連接的二維材料。從理論上預測，石墨烯在正常情況下具有導體的性質，但製成細長生長的數納米寬帶狀GNR後會形成帶隙，成為半導體材料。
  • cmos帶隙基準電壓源設計
    帶隙是導帶的最低點和價帶的最高點的能量之差。帶隙越大，電子由價帶被激發到導帶越難，本徵載流子濃度就越低，電導率也就越低 　　帶隙主要作為帶隙基準的簡稱，帶隙基準是所有基準電壓中最受歡迎的一種，由於其具有與電源電壓、工藝、溫度變化幾乎無關的突出優點，所以被廣泛地應用於高精度的比較器、A/D或D/A轉換器、LDO穩壓器以及其他許多模擬集成電路中。
  • 綜述:基於二維材料光電子學信息功能器件的新發展
    由於原子間強的共價鍵結合，石墨烯具有優良的穩定性和機械特性。石墨烯的所有這些特性使其在寬帶可調器件中具有重要的應用價值。其帶隙覆蓋範圍為1到2.5 eV，對應光譜範圍為可見光到近紅外。過渡金屬硫化物的重要特性之一是隨著材料的厚度從多層到單層，過渡金屬硫從間接帶隙過渡到直接帶隙，例如MoS2，MoSe2，WS2和WSe2在塊體時是間接帶隙半導體形式，但在單層時，其帶隙變為直接帶隙。此外，單層過渡金屬硫化物材料可以實現特定共振能量20％吸收。
  • 石墨烯——為人工智慧助力
    第三次工業革命過去，計算機，航空航天等成為重要的技術革命，目前計算機中最重要的要屬集電晶體大成的晶片了，我們現在越來越依賴的這些電子產品，由電晶體組成的半導體元件就是這些電子產品的操作核心。在過去的幾十年中，科學家和工程師都在研究縮小平均電晶體尺寸並大幅降低生產成本。
  • 一種高精度帶隙基準電壓源電路設計
    摘要：針對傳統CMOS帶隙電壓基準源電路電源電壓較高，基準電壓輸出範圍有限等問題，通過增加啟動電路，並採用共源共柵結構的PTAT電流產生電路，設計了一種高精度、低溫漂、與電源無關的具有穩定電壓輸出特性的帶隙電壓源。
  • 朱夢劍&戴佳鈺｜當雷射邂逅石墨烯，原子尺度結構調控成為現實
    通過施加一個垂直方向的電場打破上下兩層石墨烯晶格的對稱性，可以在雙層石墨烯中打開一個可調的半導體帶隙，從而彌補單層石墨烯零帶隙的缺陷。而三層石墨烯（trilayer graphene，TLG）則取決於不同的堆垛方式，具有更加豐富多樣的堆垛結構，且因層間耦合的不同而具有不同的能帶結構和迥異的物理性質，如ABA堆垛的TLG是半金屬，而ABC堆垛的則是帶隙可調的半導體。此外，理論也預言了ABC-TLG具有許多新奇有趣的現象，包括物理學界最近熱點關注的莫特絕緣體和平帶非常規超導等。
  • 物理所憶阻器的可調電致發光取得進展
    2012年，該組報導了基於石墨烯-氧化物平面納米間隙結構的憶阻器中的多阻態存儲現象【ACS Nano 2012, 6, 4214】；最近，該組張廣宇研究員，時東霞研究員，博士生何聰麗、陳鵬等在此種器件中發現了和阻變相關聯的可調製電致發光現象，並與光物理重點實驗室李志遠研究員、李家方副研究員，東南大學孫立濤教授、吳幸博士合作，對該器件結構中的發光光譜和發光機制進行了系統的研究。
  • 手性可控石墨烯納米帶製備成功
    近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員王浩敏團隊關於六角氮化硼（h-BN）的研究取得新進展，首次在其表面成功製備出手性可控的石墨烯納米帶（GNR），並進行了輸運性質研究。相關研究成果已在線發表於《自然—材料》。
  • 物理所二維膠體晶體刻蝕法製備石墨烯納米帶研究取得進展
    最近，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）表面物理國家重點實驗室白雪冬研究組的王文龍副研究員及其合作者在石墨烯納米帶的可控制備研究方面取得重要進展，相關工作發表在Adv. Mater. 23，1246 (2011) 上。 石墨烯（Graphene）自2004年發現以來，成為凝聚態物理與材料科學等領域的一個研究熱點。
  • 帶隙電壓基準源的設計與分析
    文中對帶隙電壓基準源的設計與分析，可以為電壓基準源相關的設計人員提供參考。可以為串聯型穩壓電路、A／D和D／A轉化器提供基準電壓，也是大多數傳感器的穩壓供電電源或激勵源。關鍵詞 基準源；Banba結構；帶隙基準源；輸出電壓 基準源廣泛應用於各種模擬集成電路、數模混合信號集成電路和系統集成晶片中，其精度和穩定性直接決定整個系統的精度。
  • 揭秘五邊形石墨烯
    電子結構計算表明五邊形石墨烯可以視為「準直接帶隙」半導體，因為其導帶底和一個接近於價帶頂的電子態在倒空間動量接近。HSE06雜化泛函計算的帶隙為3.25 eV，該數值接近於氮化鎵和氧化鋅等典型半導體的帶隙值。因此，五邊形石墨烯不像零帶隙的石墨烯一樣需要通過化學修飾等方式打開帶隙，可望應用於納米電子學器件。
  • 上海微系統所等在六角氮化硼溝槽中成功製備石墨烯納米帶
    中國科學院上海微系統與信息技術研究所在石墨烯納米帶可控制備研究中取得新進展。信息功能材料國家重點實驗室研究員王浩敏團隊在國際上首次通過模板法在六角氮化硼溝槽中實現石墨烯納米帶可控生長，成功打開石墨烯帶隙，並在室溫下驗證了其優良的電學性能，為研發石墨烯數字電路提供了一種可能的技術路徑。