三明治结构可减少石墨烯晶体管电子泄露

石墨烯令人惊奇的导电性帮助英国科学家摘得2010年诺贝尔物理学奖的桂冠,但这也让科学家用石墨烯制造晶体管变得困难重重。英国《新科学家》杂志网站2月3日报导,科学家们在Science杂志撰文指出,一种新方法可让石墨烯内的电子不再平滑流动,从而大大减少电子泄露,有望让以石墨烯为基础制造的超快计算机离我们更近。

石墨烯是从石墨材料中剥离出来的由碳原子组成的二维晶体。它只有一层碳原子的厚度,是目前世界上最薄的材料。2004年,英国曼彻斯特大学的教授Andre Geim和同事Konstantin Novoselov在世界上最早制作出石墨烯,并因此共同摘得2010年诺贝尔物理学奖的桂冠。

与硅相比,石墨烯能让电子更顺畅地流动。科学家们也对其寄予厚望,认为其可以制造出能以前所未有的速度运行的计算机电路。Novoselov表示:“石墨烯是一种相当有潜力的材料。”

但石墨烯内电子的平滑流动也产生了一个问题。为了执行计算,计算机需要能自由地打开和关闭其电流中电子的流动。打开和关闭以便调节电子流动的“门”被称为晶体管。当晶体管处于“关闭”状态时,电子会泄露出来。为此,科学家们也尝试了很多解决办法,包括将电子限制到单层石墨烯内,但仍然存在泄露。

现在,Novoselov和同事找到了一种克服泄露问题的方法,那就是让一层二硫化钼位于两层石墨烯之间组成三明治的形式,他们发现,这样得到的石墨烯“三明治”晶体管能有效地减少电子泄露。科学家们表示,这一层二硫化钼扮演着绝缘体的角色,它能阻止电子采用正常的方式从一层石墨烯流到另一层石墨烯,这就形成了“关闭”状态。另一方面,量子力学效应使得少数电子能“隧穿”过二硫化钼。施加电压会让电子的能量增强,使得能发生“隧穿”的电子越来越多,导致一个相当大的电流开始形成,这就是“开启”状态。通过改变电压,研究人员能打开和关闭电流,使这一“三明治”设备“变身”为一块晶体管。

Novoselov表示,同以前用石墨烯制造的晶体管相比,新的石墨烯“三明治”晶体管能将电子泄漏减少十分之一。该研究团队声称,通过增加绝缘体层的厚度能在未来进一步减少电子的泄漏:“这真的为我们的研究打开了一扇新窗户。”

L. Britnell et. al., Science 2012, DOI: 10.1126/science.1218461

来源:科技日报 刘霞 (原刊载于科学网