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制造原子级纳米带

发布时间:2019-02-19 22:42编辑:教育浏览(171)

      硅晶体是最常用于制造晶体管的半导体,晶体管是用于在计算中执行逻辑运算的关键电子元件。然而,随着更快和更强大的处理器的产生,硅已达到性能极限:导电越快,温度越高,导致过热。

      石墨烯由单原子厚的碳片制成,保持更冷,并且可以更快地传导,但它必须是更小的片段,称为纳米带,以充当半导体。尽管在纳米带的制造和表征方面取得了很大进展,但是将它们干净地转移到用于芯片制造的表面上已经是一个重大挑战。

      伊利诺伊大学贝克曼高级科学与技术研究所和内布拉斯加大学林肯分校化学系的研究人员最近进行的一项研究表明,将原子级精密石墨烯纳米带(APGNR)整合到非金属基底上的第一个重要步骤。该论文“溶解合成的雪佛龙石墨烯纳米带剥离到H:Si(100)”,发表在Nano Letters上。

      石墨烯纳米带的尺寸仅为几纳米,超出了芯片制造中使用的传统芯片自顶向下图案的限制。结果,当通过各种纳米加工方法从较大的石墨烯片雕刻时,石墨烯纳米带既不均匀也不足够窄以显示出所需的半导体特性。

      “当你从上到下进行时,很难控制宽度。事实证明,如果宽度仅调整一两个原子,则属性会发生显着变化,”博士生Adrian Radocea说。在Beckman的纳米电子和纳米材料集团。

      因此,纳米带必须由较小分子“自下而上”制成,以产生具有高度均匀电子特性的原子级精确纳米带。

      “它就像分子构建块一样:有点像将Legos拼凑在一起构建一些东西,”Radocea说道。“它们锁定到位,你最终可以完全控制色带宽度。”

      Cai等人首次展示了“自下而上”方法用于石墨烯纳米带。在2010年的一篇Nature论文中,展示了原子级精密石墨烯纳米带在金属基底上的生长。2014年,内布拉斯加大学林肯分校的Alexander Sinitskii研究小组开发了一种替代方法,用于在溶液中制备原子级精确的石墨烯纳米带。

      “先前在金属基材上展示的合成产生了非常高质量的石墨烯纳米带,但它们的数量相当小,因为它的增长仅限于贵金属的表面,”内布拉斯加大学化学副教授Sinitskii说道。该研究的作者。“很难扩大这种合成。相反,当纳米带在无限制的三维溶液环境中合成时,它们可以大量生产。”

      清洁转移纳米带的困难源于对环境污染物的高度敏感性。溶液合成和表面生长的纳米带都在转移过程中暴露于化学物质,这会影响石墨烯纳米带装置的性能。为克服这一挑战,跨学科团队在超高真空环境中使用干转移。

      将涂覆有石墨烯纳米带粉末的玻璃纤维涂覆器加热以除去污染物和溶剂残余物,然后压到新制备的氢钝化的硅表面上。利用伊利诺伊州电气和计算机工程教授,该研究的作者Joseph Lyding开发的超高真空扫描隧道显微镜对纳米带进行了非常详细的研究。研究人员获得了石墨烯纳米带的原子级图像和电子测量,这对于确认其电子特性和理解基板的影响至关重要。

      Radocea解释说,Beckman提供的计算专业知识有助于理解实验结果。“我还在收集更多的数据,试图弄清楚发生了什么。一旦建模结果出现,我们开始以不同的方式查看数据,这一切都有意义。”

      Beckman计算多尺度纳米系统组的成员,博士生Tao Sun和机械科学与工程教授Narayana Aluru通过密度泛函理论提供了计算建模方面的专业知识,以研究纳米带的性质。

      “密度泛函理论计算提供了对集成系统的电子特性以及石墨烯纳米带与硅衬底之间相互作用的更深入理解,”Sun说。“令人兴奋的是,计算结果可以帮助解释和确认实验结果并提供一个连贯的故事。”

      “当传统的硅晶体管缩放失败时,原子级精确的石墨烯纳米带(APGNR)是后硅时代的重要候选者,”Lyding说。“这展示了将APGNR与技术相关的硅基板集成的第一个重要步骤。”

      “我发现这个项目非常令人兴奋,因为你正在用原子级别控制来构建东西,所以你试着将每个原子准确地放在你希望它去的地方,”Radocea说。“那里没有很多材料可以说你有这种能力。纳米带很令人兴奋,因为有真正的需要和真正的应用。”

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