Künstliches Graphen definiert den höchsten Grad an Nanofabrikation neu

Zu Beginn dieses Jahrhunderts hatte die Entdeckung von Graphen große Auswirkungen auf die Physik. Als erstes zweidimensionales Material, das in der realen Welt auftauchte, wurde es schnell zum Liebling der Wissenschaftler. Als natürliche Substanz hat Graphen jedoch nur eine feste atomare Anordnung, so dass sich alle Experimente mit Graphen an diese Einschränkungen anpassen müssen. In jüngster Zeit haben Experten der Columbia University jedoch ein "künstliches Graphen" -Vorrichtungsgerät mit besserer Leistung hergestellt, das dieses Problem perfekt löst.

Die einzigartige Anordnung der Kohlenstoffatome in Graphen bietet eine Plattform zum Testen neuer Quantenphänomene, die in herkömmlichen Materialien schwer zu beobachten sind. Mit seinen ungewöhnlichen elektronischen Eigenschaften: Seine Elektronen können vor der Streuung eine lange Strecke zurücklegen, und Graphen ist ein überlegener Leiter. Diese Eigenschaften zeigen auch andere einzigartige Eigenschaften, die Elektronen nahe an der Lichtgeschwindigkeit erscheinen lassen. Wie Teilchen hat es die singulären Eigenschaften, die nicht-relativistische Elektronen nicht haben. Die Position der Atome im Graphengitter ist jedoch festgelegt. Im Gegensatz dazu kann der Abstand und die Konfiguration des Gitters im künstlichen Graphen in einem großen Intervall frei eingestellt werden. Diese starke Vielseitigkeit macht künstliches Graphen in den Augen von Forschern auf dem Gebiet der kondensierten Materie zu einem Schatz.

Die Studie wurde von Experten des Department of Engineering der Columbia University geleitet, die sich auf nanoskalige Materialhandhabung spezialisiert haben. In Zusammenarbeit mit Kollegen der Princeton University, der Purdue University und der italienischen Universität für Wissenschaft und Technologie hat das Team erstmals die elektronische Struktur von Graphen in Halbleiterbauelementen neu gestaltet. So wurde eine neue Art von "künstlichem Graphen" hergestellt.

Abbildung | Ätzsäulen beziehen sich auf die Position von Quantenpunkten (roten Vertiefungen) in einer hexagonalen Gitteranordnung. Wenn der Abstand zwischen Quantenpunkten klein genug ist, können sich Elektronen zwischen ihnen bewegen. (Quelle: Diego Scarabelli / Department of Engineering, Columbia University)

Aron Pinczuk, Professor für angewandte Physik und Physik am Department of Engineering der University of Columbia, sagte: "Dieser Meilenstein hat das höchste Niveau der Wissenschaft über kondensierte Materie und der Nanofabrikation neu definiert. Obwohl künstliches Graphen auf andere Systeme der Optik wie Moleküle angewendet wurde und Photonen, aber diesen Plattformen fehlt die Vielseitigkeit, die die Halbleiterverarbeitungstechnologie bieten kann. Künstliche Halbleiter-Graphenvorrichtungen können eine Plattform für die Erforschung neuer elektronischer Schalter, Hochleistungstransistoren und sogar neuer Methoden zur Speicherung von Quantenzustandsinformationen werden.

Shalom Wind, Mitautor der Abteilung Angewandte Physik und Angewandte Mathematik, sagte: "Dies ist ein schnell wachsendes Forschungsgebiet. Viele neue Phänomene, die bisher unerreichbar waren, wurden jetzt entdeckt. Während wir die Verwendung von elektrisch gesteuert weiter erforschen Mit künstlichem Graphen können wir mit den neuen Geräten mehr Potenzial für Graphen im Bereich der Optoelektronik und Datenverarbeitung entdecken. "

"Diese Arbeit ist tatsächlich ein großer Fortschritt in der künstlichen Graphen-Technologie. Frühere Theorien haben vorausgesagt, dass elektronische Systeme auf Graphenbasis manuell erstellt und mit grafischem 2D-Elektronengas abgestimmt wurden. Bis zu diesem Zeitpunkt an der Columbia University hat niemand diese Merkmale erfolgreich beobachtet in technischen Halbleiter-Nanostrukturen ", sagte Steven G. Louie, Professor für Physik an der University of California in Berkeley. „Frühere molekulare, atomare und photonische Strukturexperimente können nur Systeme mit geringer Vielseitigkeit und Stabilität darstellen. Diese Nano-Halbleiter-Struktur bietet neue Möglichkeiten zur Erforschung neuer Wissenschaften und ihrer praktischen Anwendungen.

Forscher verwenden Werkzeuge der traditionellen Chiptechnologie, um künstliches Graphen in Standard-Galliumarsenid-Halbleitern zu entwickeln. Sie entwarfen eine Schichtstruktur, so dass sich Elektronen nur innerhalb einer sehr engen Schicht bewegen können, wodurch effektiv eine 2D-Ebene erzeugt wird. Sie verwendeten Nanolithographie und Ätzen, um Galliumarsenid zu charakterisieren: Nach der Charakterisierung erzeugte Galliumarsenid ein hexagonales Gitter, das Elektronen in lateraler Richtung einschließt. Indem diese sogenannten "künstlichen Atome" nahe genug beieinander platziert werden (etwa 50 Nanometer voneinander entfernt), können diese künstlichen Atome quantenmechanisch interagieren, ähnlich wie Atome ihre Elektronen in Festkörpern teilen.

Nanolithographie und Ätzen bilden kleine Säulen, und die darunter liegenden Quantenpunkte sind in einem hexagonalen Gitter angeordnet. Das Scannen der elektronenmikroskopischen Aufnahme unten zeigt eine hexagonale Anordnung mit einem Umfang von nur 50 Nanometern von oben. (Quelle: Diego Scarabelli / Columbia Engineering)

Die Gruppe erkennt den elektronischen Zustand des künstlichen Gitters durch Bestrahlung des Lasers und misst das gestreute Licht. Streulicht kann den Energieverlust anzeigen, wenn ein Elektron von einem Zustand in einen anderen übergeht. Als sie diese Zustandsübergänge abbildeten, stellte das Team fest, dass sie sich linear nahe dem "Dirac-Punkt" Null näherten, ein Merkmal von Graphen, bei dem die Elektronendichte verschwinden würde.

Dieses künstliche Graphen hat viele Vorteile gegenüber natürlichem Graphen: Beispielsweise können Forscher das elektronische Verhalten durch Einstellen des Zellgitters anpassen. Und weil der Abstand zwischen Quantenpunkten viel größer ist als der Abstand der Atome in natürlichem Graphen, können Forscher unter Einwirkung von Magnetfeldern exotischere Quantenphänomene beobachten.

Die Entdeckung von Graphen und anderen neuen niedrigdimensionalen Materialien (wie ultradünnen Van-der-Waals-Schichten) legte den Grundstein für diese Forschung. Pinczuk wies darauf hin: "Frühere Fortschritte in der Nanofabrikationstechnologie sind für diese Forschung von entscheidender Bedeutung. Diese früheren Studien haben uns eine ständig wachsende 'Toolbox' zur Verfügung gestellt, mit der wir qualitativ hochwertige Muster auf unzähligen nanoskaligen Skalen darstellen können. Das ist keine Übertreibung sagen, dass diese Entdeckung unsere Physiker auf diesem Gebiet inspiriert hat. "

Der Nobelpreis für Physik im Jahr 2010 machte die Menschen auf Graphen aufmerksam. Seit seiner Entdeckung hat Graphen große Aufmerksamkeit erhalten und wurde kontinuierlich weiterentwickelt. Es steht jedoch vor vielen Herausforderungen in der aktuellen Forschung und Entwicklung von Technologie, aber diese Herausforderungen sind auch der fruchtbare Boden für unsere zukünftige Forschung. Wenn das 20. Jahrhundert das Jahrhundert des Siliziums ist, wird Graphen im 21. Jahrhundert eine neue materielle Ära einleiten, die die Welt erheblich verändern wird. Wir glauben, dass die Zukunft von Graphen und verwandten Technologien vielversprechend ist.

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