引言


双层石墨烯,具有六边形碳原子结构,单个原子厚度。科学们通过一种双层石墨烯制成的设备进行实验,控制电子运动,以实现更低能耗,以及更少发热的半导体电子设备。此举成为迈向“valleytronics”新型电子物理领域的重要一步。

石墨烯通过薄片上下有两对分离的门进行控制。电子在网格中以不同的方向传输,处于不同的谷状态K和 K’下。这个试验中,用到了扫描电子显微图像设备。石墨烯薄片和六边形氮化硼,由电子束光刻技术堆叠和塑造,创建该设备。紫色层是双层石墨烯薄片,底部的分离门(深色方块)由多层石墨烯制成,而顶部的一对分离门(金色方块)由黄金制成。中间空隙中的一维网格由分离门创建。

(图片来源于: Jun Zhu / 宾州州立大学)

Valleytronics简介

Valleytronics,顾名思义,由两个单词“valley”(谷)和“electronics”(电子)组成,一个比较新的学术词。该词指的是:电子利用某些半导体或者绝缘体,其价带或者导带结构中的多谷,控制其谷自由度,通常用在半导体量子物理领域

这项研究的主要研究人员,宾州州立大学的助理教授,该研究的领导者Jun Zhu 和他的博士生Jing Li,对于目前半导体设备,Jun Zhu这么认为:

“目前,硅基晶体管设备,依赖于电荷开关设备。然而,许多实验室正在寻找新方法操作电子,即“自由度”。电荷是一种自由度,电子自旋是另一个自由度,构建基于自旋的晶体管,称为自旋电子学,目前仍处于发展阶段。第三个电子自由度,就是电子的“谷状态”,这和他们运动的能量相关。

原理详解

研究人员将电子比作汽车,谷状态分为蓝色和红色,以便区分它们。双层石墨烯的内部,电子通常会同时具有红色和蓝色两种谷状态,并且向各个方向传播。研究人员使用该设备,让红色汽车向一个方向移动,而蓝色汽车向相反方向移动。


系统中的双层石墨烯薄片上下方具有一对门,垂直于这个平面一个电场。研究人员在双层石墨烯的一侧增加一个正电压,在另外一侧加一个负电压,从而打开了一个“能带隙”,这在平时是没有的。在两侧中间,研究人员预留了70纳米的物理间隙。

这个间隙中的一维金属状态或者网格,成为不同颜色电子的高速公路。红色汽车往一个方向行驶,而蓝色汽车驶向相反方向。理论上来说,具有颜色的电子,可以颜色网格长距离顺畅地传输,且电阻很小。“小电阻”,意味着电子设备的低功耗且发热更少。一开始,设备并不是小电阻的,研究人员进行了一些实验,研究了电阻的来源,从而减少了电阻。

在绝缘的石墨烯薄片内部,使用一些门创建这些状态,意义不同寻常。研究人员也尝试构建阀门,根据电子的颜色控制电子流动,这种新的电子概念叫做“valleytronics”。



(图片来源于: Jun Zhu / 宾州州立大学)


设备制造

顶部和顶部的门对齐很关键,也是很具有挑战性。宾州州立大学纳米加工实验室具有最先进的电子束光刻技术能力,可以创造出这种纳米级功能的设备。所以,研究人员通过宾州州立大学的纳米制造设施合作,让理论的架构成为现实的工作设备。

研究团队和赞助机构

作者包括宾州州立大学的助理教授,该研究的领导者Jun Zhu,他也是宾州州立大学的材料研究所二维和叠层材料研究中心的成员,他的博士生Jing Li,中国科学技术大学Ke Wang,Yafei Ren,Zenhua Qiao,他们贡献在于对于线的行为进行数值研究建模。日本国家材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi,提供了试验中用到的高质量的六边形氮化硼晶体。两个本科生Kenton McFaul 和 Zachary Zern也对研究作出了贡献。


这项研究由中国和日本的国家科学基金会和资助机构,以及美国海军研究局赞助。

研究意义和未来展望

目前,对于电子设备的小型化来说,功耗和温度管理是两个主要的挑战。然而,该设备为未来电子设备的研究,和展示valleytronics技术作出了重要贡献。但是,由于成本和制造工艺等因素,它目前距离大规模应用还有很远的路要走。


参考资料

【1】Zhu et al. Gate-controlled topological conducting channels in bilayer graphene. Nature Nanotechnology, 2016 DOI: 10.1038/nnano.2016.158

【2】http://news.psu.edu/story/423202/2016/08/29/research/device-control-color-electrons-graphene-path-future-electronics

【3】https://en.wikipedia.org/wiki/Valleytronics


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迈向未来电子领域:双层石墨烯设备控制电子运动
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