2011年1月7日
在硅。城里有一种新的电子材料,它会很快。
材料,2010年诺贝尔物理学奖的焦点,是极薄层石墨烯——一个花哨的名字的普通碳原子排列在一个“网状”晶格。这些层,有时只有一个原子厚的导电几乎没有阻力,很少比硅热生成,降低能耗。
生产外延石墨烯
与硅电池设备制造接近其物理极限,许多研究人员认为石墨烯材料可以提供一个新的平台,使半导体行业继续迈向更小、更快的电子设备——摩尔定律描述的进展。虽然石墨烯可能永远不会取代硅对于日常电子应用程序,它可以接任材料高性能的首选设备。
和石墨烯可能最终产生新一代的设备设计利用其独特的属性。
自2001年以来,佐治亚理工学院在发展中外延石墨烯已成为世界领袖,一个特定类型的石墨烯,可以生长在大晶片和用于在电子制造业的图案。在最近的一篇论文发表在《自然纳米技术,佐治亚理工学院的研究人员报道,编造一个数组的10000 0.24平方厘米的芯片上的晶体管top-gated,一项成就被认为是迄今报告的最高密度的石墨烯设备。
在创建数组,也展示了一个聪明的新方法对日益复杂的石墨烯蚀刻图案模板碳化硅。新技术提供的解决方案所面临的最困难的问题之一,石墨烯的电子产品。
“这是一个重要的一步与石墨烯电子制造业,”沃尔特德陆军说,乔治亚理工学院的物理学教授谁率先发展高性能石墨烯的电子产品。“这是另一个步骤的工作表明,我们的方法与外延石墨烯生长碳化硅是正确的做法,可能会用于生产石墨烯的电子产品。”
展开碳纳米管
德陆军,石墨烯与碳纳米管开始的故事,小圆柱结构被认为是不可思议的,当他们开始在1991年科学家对其进行研究。德陆军是研究者兴奋纳米管的特性,其独特的碳原子给他们安排物理和电子性质,科学家认为可能是新一代的电子设备的基础。
碳纳米管仍有吸引力的属性,但是能够持续,将它们生长在大容量电子应用程序——迄今为止,困扰着研究人员。德陆军之前别人意识到碳纳米管可能永远不会被用于大容量电子设备。
但他也意识到有吸引力的关键电子性能的纳米管是由碳原子晶格创建的。为什么不简单地增加晶格在平坦的表面,并使用制造技术被证明在微电子行业创建设备一样硅集成电路吗?
通过加热碳化硅——一个广泛使用的电子材料——德陆军和他的同事们能够开车从表面硅原子,只留下的碳在薄层石墨烯晶格足够大的成长的一代电子设备熟悉电子产品设计师。
这一过程在2003年专利申请的基础,并从芯片制造商英特尔首次研究支持。自那以来,德陆军的小组发表了数十篇论文,并帮助产生其他研究小组也使用外延石墨烯电子设备。尽管科学家们仍在学习材料,如IBM公司推出了基于外延石墨烯研究项目,和机构如美国国家科学基金会(NSF)和国防高级研究计划局(DARPA)投资开发未来电子产品的材料应用程序。亚博老虎机网登录
佐治亚理工学院的工作发展外延石墨烯制造电子设备是公认的背景文件由瑞典皇家科学院诺贝尔奖的文档的一部分。亚博老虎机网登录
比赛寻找石墨烯很激烈,商业应用与研究人员来自美国、欧洲、日本和新加坡从事资金充足的努力。自授予诺贝尔的一群来自英国,洪水对石墨烯的发展已经新闻稿。
“我们的外延石墨烯是现在世界上使用许多研究实验室,”德陆军指出。“我们可能在硅的阶段是在1950年代。这是开始将是非常大的和重要的东西。”
硅”的气”
一个新的电子材料是必要的,因为硅的小型化的房间。
”为主,我们已经从硅增加速度不断萎缩的特征尺寸和提高互连技术,”丹尼斯·赫斯说,美国国家科学基金会赞助了主任材料科学和工程研究中心(MRSEC)建立了佐治亚理工学院的研究未来的电子材料,从外延石墨烯。亚博网站下载亚博老虎机网登录“我们是在点在不到10年的时间里,我们无法进一步缩减尺寸,因为物理设备的操作。这意味着我们将不得不改变我们设备的类型,或者改变我们使用电子材料。”
这是一个物理问题。在非常小的尺度大小需要创建越来越密集的设备阵列,硅生成过多的电子流动阻力,产生更多的热量比可以消散,消耗了太多的力量。
石墨烯没有这样的限制,实际上,可以提供电子迁移率比硅100倍。德陆军认为他的研究小组已经开发出高性能电子产品的未来路线图,铺外延石墨烯。
“我们已经基本开发制造基于石墨烯的电子产品的整个计划,”他说。“我们已经放下我们相信将是如何的基本规则,工作,和我们有专利的关键。”
硅,当然,成熟了许多代人通过不断的研究和改进。德陆军和赫斯认为硅将永远存在,用于低成本消费产品如ipod,烤面包机,个人电脑等。
德陆军预计石墨烯发现其利基做事情,否则无法完成。
“我们并不是想做便宜或更好的东西;我们要做的事情可以用硅不做,”他说。“让电子设备作为小分子,例如,不能用硅,但原则上可以用石墨烯。关键问题是如何延长摩尔定律在post-CMOS世界。”
与碳纳米管他研究在1990年代,德陆军认为没有外延石墨烯的发展面前的主要问题。
“石墨烯将是未来的一个主要玩家在电子不再怀疑,”他说。“我们没有看到任何真正的路障前。没有闪烁的红灯或其他迹象表明,似乎说这不会起作用。我们看到所有的问题与改善技术问题,我们知道怎么做。”
做最好的石墨烯
自2001年开始探索石墨烯以来,德陆军和他的研究小组已经连续改进他们生产的材料的质量,这些改进让他们展示一系列的物理性质,如量子霍尔效应,验证材料的独特性能。
”我们看到在我们的外延石墨烯的性质类似于我们计算出一个理想的石墨烯的理论表悬浮在空中,”克莱尔·伯杰说,科学家在佐治亚理工学院物理学院的中心也有一个教师任命国家在法国de la任职。“我们看到这些属性在电子传递,我们看到这些属性在所有类型的光谱。一切应该是发生在一张石墨烯我们看到在我们的系统。”
关键材料的未来,当然,是能够使电子设备工作始终。研究人员相信他们已经几乎达到了这一点。
“所有外延石墨烯的属性需要让电子设备已被证明可行的材料,”艾德·康拉德说,乔治亚理工学院的物理学教授同时也是MRSEC成员。“我们已经表明,我们可以使宏观量的这种材料,和可伸缩的设备,我们真的可以使石墨烯起飞奠定基础。”
达到更高的设备密度也很重要,随着能力控制石墨烯的层数。组表明,多层石墨烯,每一层保留所需的属性。
“多层石墨烯具有比石墨不同的叠加,材料中发现铅笔,”康拉德说。“在石墨,每层旋转60度,这是唯一的方法,自然能做到。当我们在碳化硅生长石墨烯,层旋转30度。当这种情况发生时,系统的对称性的变化使材料表现得我们想要的方式。”
外延和脱落
世界上石墨烯的研究——包括工作导致诺贝尔——涉及剥落石墨烯的研究:层的材料从一块石墨,最初用胶带。虽然这个技术生产高质量的石墨烯,目前还不清楚如何对工业生产,可以扩大。
虽然同意脱落材料产生有用的信息关于石墨烯的属性,德陆军驳斥了这是“一个科学项目”不可能有工业电子产品的应用。亚博老虎机网登录
“电子公司是石墨烯片不感兴趣,”他说。“他们需要工业石墨烯材料,可以将规模扩大到量产阶段。行业现在越来越感兴趣的是我们所做的。”
德陆军说佐治亚理工学院在新的石墨烯世界的地位是专注于电子应用程序。
“我们不是真正想与这些其他群体竞争,”他说。“我们真的试图创建一个实际的电子材料。要做到这一点,我们必须做很多事情,包括制作一个可伸缩的材料,可以作为大型晶片。它必须统一使用工业方法,能够被处理。”
解决技术问题
在石墨烯设备面临的重大技术问题一直是电子散射发生在nanoribbons的界限。如果边缘不光滑,通常发生在当材料是用电子束——粗糙度反射电子,创造阻力和干扰。
为了解决这个问题,德陆军最近和他的团队开发了一种新的纳米石墨烯制造“模板化增长”技术设备。该技术涉及到碳化硅表面蚀刻图案,外延石墨烯生长。作为模板的模式指导的生长石墨烯结构,允许nanoribbons的形成特定的宽度不使用电子束或其他破坏性的切割技术。石墨烯带的制作都用这些模板平滑的边缘,避免电子的散射问题。
“使用这种方法,我们可以非常狭窄的丝带相互连接的石墨烯没有棱角,”德陆军说。“任何可以使小结构,而无需削减将是有用的石墨烯电子器件的发展,因为如果太粗糙,边缘穿过丝带的电子散射对边缘和降低石墨烯的可取的属性。”
在纳米级石墨烯带,量子约束使材料表现为半导体适合创建电子设备。但在丝带一微米左右宽,材料作为导体。控制碳化硅的深度模板同时允许研究人员创建这些不同的结构,使用相同的增长过程。
“相同的材料可以是导体或半导体根据它的形状,”德陆军。“石墨烯电子器件的主要优势之一是使设备,半导体丝带从相同的材料。这很重要,以避免电阻在不同材料之间的连接建立。”亚博网站下载
nanoribbons形成后,研究者应用介电材料和金属门构造场效应晶体管。虽然成功制造高质量的晶体管演示了石墨烯作为电子材料的可行性,德陆军认为他们只是第一步与材料能够做些什么。
“当我们设法使设备在纳米尺度上,我们可以继续做更小和更精细的结构,将超越传统晶体管打开的可能性更加复杂的设备,使用电子更像是光而不是粒子,”他说。yabo214“如果我们能因素为电子量子力学特性,将打开新的可能性。”
与其他组织的合作
之前工程师可以将外延石墨烯用于下一代的电子设备,他们将不得不理解其独特的属性。作为这一进程的一部分,佐治亚理工学院的研究人员和科学家合作国家标准与技术研究院(NIST)。合作产生了新的深入了解电子在石墨烯的行为。
在最近的一篇论文发表在《自然》杂志上物理,格鲁吉亚Tech-NIST团队首次描述电子的轨道是如何分布空间的磁场应用于层外延石墨烯。他们还发现,这些电子轨道相互作用的基质石墨烯生长,创造能源缺口影响电子波穿过多层材料。
“magnetically-induced能源缺口的规律在石墨烯表面创建地区电子传递是不允许的,”菲利普说n .首先,乔治亚理工学院的物理学教授和MRSEC成员。“电子波会在这些地区,需要新模式的电子波干扰。理解这种干扰会对一些重要设备,提出了双层石墨烯。”
早些时候NIST协作导致改善石墨烯的电子状态的理解,和低温和高磁场的方式会影响能量水平。研究人员还证明了量子波纹的模式,出现了干涉图样,当两个或两个以上的石墨烯层覆盖,可以用来测量石墨烯堆叠。
在协作与美国海军研究实验室和伊利诺伊大学香槟分校的佐治亚理工学院教授开发了一个简单的和快速的一步法用于创建在石墨稀氧化物纳米线。
“我们已经表明,通过局部加热绝缘氧化石墨烯薄片和外延品种,用原子力显微镜,我们可以写与维度12纳米,纳米线”Elisa Riedo说,佐治亚理工学院物理学院的副教授和MRSEC成员。“我们可以调整他们的电子属性四个数量级以上导电。”
新工业革命吗?
虽然石墨烯可以种植和制造使用过程类似于硅,不轻易与硅兼容。这意味着企业采用它还必须建立新的生产设备——一个昂贵的投资。因此,德陆军认为行业将进入一个新的石墨烯世界持谨慎态度。
“硅技术是完全确立和发达的,”他承认。“我们可以采用许多硅的过程,但是我们不能轻易地将自己融入硅。正因为如此,我们真的需要一个主要的范式转变。但是对于大规模的电子行业,不会轻易发生或轻。”
他画了一个类比蒸汽船和客运列车航空时代的黎明。在某种程度上,它变得明显,飞机要取代远洋班轮和火车提供一流的客运服务。虽然空中旅行的成本更高,乘客愿意支付溢价更大的速度。
“我们将看到一个共存的技术,以及石墨烯和硅杂化的电子会发生仍然悬而未决,”德陆军预测。”将需要几十年的时间,尽管在接下来的十年里我们可能会看到真正的商业设备,包括石墨烯。”
来源:http://www.gatech.edu/