背景

石墨烯，是由單層碳原子組成、具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維材料。

獨(dú)特的結(jié)構(gòu)為石墨烯帶來了一系列卓越的特性：厚度僅為人類發(fā)絲直徑的百萬分之一，強(qiáng)度勝過鋼鐵百倍，導(dǎo)電性勝過銅，透光性也很好。同時(shí)，石墨烯是由自然界中廣泛分布的碳元素組成，原料非常豐富。

理論上講，石墨烯非常適用于制造未來更快更節(jié)能的納米電子器件和光子器件。十五年來，科學(xué)家們一直在用這種“神奇材料”進(jìn)行著這方面的探索。

理論上，在石墨烯中簡單地剪切微小圖案，就會(huì)從根本上改變其量子特性。因此，通過這種改變，石墨烯可以執(zhí)行電子學(xué)、光子學(xué)、傳感器等領(lǐng)域中的不同任務(wù)。為石墨烯引入“帶隙”，對于晶體管和光電子器件來說非常重要?？墒?，這個(gè)看上去“簡單”的任務(wù)，其實(shí)卻是非常困難的。由于石墨烯只有一個(gè)原子的厚度，所有的碳原子都很重要，即使圖案中存在細(xì)微的不規(guī)則，也會(huì)破壞其特性。

丹麥技術(shù)大學(xué)（DTU）物理系教授PeterBggild表示：“石墨烯是一種極好的材料，我認(rèn)為它將在納米器件制造中扮演關(guān)鍵角色。問題是，調(diào)整其電氣特性是極度困難的事情?！?br/>
丹麥技術(shù)大學(xué)與奧爾堡大學(xué)的納米結(jié)構(gòu)化石墨烯中心成立于2012年，專門研究如何通過在極小尺度上改變石墨烯的形狀來調(diào)整其電氣特性。當(dāng)實(shí)際刻畫石墨烯時(shí)，來自丹麥技術(shù)大學(xué)與奧爾堡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了全世界范圍的其他科研人員一樣的失敗。

PeterBggild表示：“當(dāng)你在像石墨烯這樣的材料中刻畫圖案時(shí)，你這么做是為了用一種可控方式改變其特性，從而匹配你的設(shè)計(jì)要求?？墒?，這些年來我們看到的卻是，雖然我們可以制造出洞，卻無法避免引入許多的混亂與污染，使材料變現(xiàn)得不再像石墨烯。這有點(diǎn)像，較差的制造技術(shù)造出的水管會(huì)出現(xiàn)部分阻塞。從外部看，它似乎是完好的，但是水卻無法自由流動(dòng)。對于電子器件來說，這顯然是災(zāi)難性的?！?br/>
創(chuàng)新

近日，丹麥的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)解決了這個(gè)問題。成果發(fā)表在《自然納米技術(shù)（NatureNanotechnology）》期刊上。

技術(shù)

丹麥技術(shù)大學(xué)物理系的兩名博士后BjarkeJessen和LeneGammelgaard首先將石墨烯封裝到另外一種二維材料（六方氮化硼）中，六方氮化硼是一種非導(dǎo)電的材料，通常用于保護(hù)石墨烯的特性。

接下來，他們采用一項(xiàng)稱為“電子束光刻”的技術(shù)，仔細(xì)地在氮化硼保護(hù)層和下面的石墨烯中，刻畫出密集的超小洞陣列。這些洞的直徑約為20納米，間距僅為12納米?？墒?，洞的邊緣的粗糙程度小于1納米（十億分之一米）。在如此微小的石墨烯結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過這種結(jié)構(gòu)的電流可比之前報(bào)告的成果高千倍。

價(jià)值

PeterBggild表示：“我們展示了，我們可以控制石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)其行為方式。當(dāng)控制能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，我們可以訪問石墨烯所有的特性。而且我們發(fā)現(xiàn)，令我們吃驚的是，一些最微妙的量子電子效應(yīng)在密集的光刻之后還存在，這是非常令人鼓舞的。我們的研究表明，我們可以坐在電腦前設(shè)計(jì)元件和設(shè)備，或者想象出全新的東西，然后回到實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)它們?！?br/>
他繼續(xù)說道：“在這個(gè)尺度上，許多科學(xué)家們放棄了在石墨烯中采用納米光刻技術(shù)的嘗試，這真是可惜，因?yàn)榧{米結(jié)構(gòu)化是探索石墨烯電子器件與光子器件最振奮人心的功能的一項(xiàng)關(guān)鍵工具?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)搞清楚它是如何實(shí)現(xiàn)的；也許可以這么說，魔咒被解除了。雖然還有其他的挑戰(zhàn)，但是能調(diào)整石墨烯的電子特性，標(biāo)志著我們朝著創(chuàng)造尺寸極小的新型電子器件邁出了一大步?！?/p>