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科普知識

基于石墨烯的納米電子平臺問世

稿件來源:科技日報 張夢然 責(zé)任編輯:ICAC 發(fā)布時間:2022-12-27

 

石墨烯器件生長在碳化硅襯底芯片上。圖片來源:佐治亞理工學(xué)院

  納米電子學(xué)領(lǐng)域的一個緊迫任務(wù)是尋找一種可替代硅的材料。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——單片碳原子。發(fā)表在《自然·通訊》雜志上的該技術(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)的計算機芯片,并對量子和高性能計算具有潛在影響。

  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。

  為了創(chuàng)建新的納米電子學(xué)平臺,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,用電子級碳化硅晶體生產(chǎn)了獨特的碳化硅芯片。

  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。這個過程機械地穩(wěn)定和密封石墨烯的邊緣,否則它會與氧氣和其他可能干擾電荷沿邊緣運動的氣體發(fā)生反應(yīng)。

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

  團(tuán)隊在石墨烯邊緣態(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,但運動時沒有阻力。盡管是單個物體,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。

  團(tuán)隊表示,其獨特的性質(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約拉納費米子。

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