石墨烯纳米电子器件

Scanning probe lithography on graphene

单层的石墨烯为研发新的材料和电子器件提供了一个契机。石墨烯晶体管被认为会比目前的硅晶体管要快很多,可以大大提高计算机的性能。曼彻斯特大学的K. Novoselov和A. Geim在2004首次从石墨中剥离出石墨烯,并因此获得了2010年的诺贝尔奖。

为了制备石墨烯的电子器件,往往需要先用电子束光刻的方法切出特定的纳米结构,然后用反应离子等离子体进行刻蚀。目前另一种比较可行的方法是利用基于原子力显微镜(AFM)的局域阳极氧化(LAO),也称作扫描探针光刻。在physica status solidi (b)的这期特刊中,Novoselov和同事们对这种方法的原理进行了介绍,并展示了利用这种技术所制备的纳米尺度的电子器件。

这期特刊汇集了2010年3月份举办的第24届国际新材料电子性能讲习班(分子纳米结构)上的材料。文章的内容主要集中在以下这些方面:碳纳米管、石墨烯、富勒烯、非碳纳米材料,纳米管光学,分子电子学,量子作用和纳米管器件。

作为这个讲习班的组委会成员之一,Novoselov向大家展示了几个通过刻蚀石墨烯得到的结构,其中包括一个纳米电子器件。他们可以刻蚀宽度仅为30nm的细线。使用AFM在接触模式(contact)下对这些线进行观察时,他们发现在不同的扫描方向下,线上的氧化区域有时呈突起状,有时呈凹陷状。这种现象可能来源于接触式AFM成像过程中的摩擦力。为了确认他们是制备了稳定的氧化石墨烯,还是将石墨烯完全刻蚀掉了,他们尝试了轻敲(tapping)模式的AFM成像。在这种模式下更高的横向分辨率使得可以区分石墨烯被刻蚀掉或者有氧化石墨烯剩余的两种不同区域。显然,更久的暴露在AFM针尖的电压下会使得石墨烯的移除。

经过摸索掌握了AFM刻蚀石墨烯的具体参数之后,他们便着重尝试通过氧化纳米尺寸的石墨烯结构来制备纳米电子器件。作为一个示例,他们制备了一个量子点同旁边的氧化石墨烯侧栅极相联的结构。量子点同石墨烯的接触区域约为60nm*60nm。

该研究小组还展示了在石墨(HOPG)上进行扫描探针刻蚀的氧化动力学方面的数据。他们发现刻蚀过程比较符合双反应(dual-reaction)的机制,这与硅材料的LAO过程类似。就此他们得出以下结论:可以在HOPG上有选择地制备稳定的氧化石墨烯。对于石墨烯上的LAO,HOPG上得到的结果表明经过氧化的区域为氧化石墨烯。但是由于石墨烯的厚度仅为一个原子层,所以并不能完全排除石墨烯被刻蚀掉的可能性。

S. Neubeck et al., Phys. Status Solidi B 247 (11-12), 2904 (2010) ; DOI: 10.1002/pssb.201000186

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