新石墨烯生產(chǎn)工藝助力柔韌和透明電子產(chǎn)品

哥倫比亞大學(xué)工程研究實(shí)驗(yàn)首次證明，可以從只有原子厚度的薄二維材料的一維邊緣來進(jìn)行電接觸，而不是按照常規(guī)做法從其頂部接觸。有了這樣新的接觸架構(gòu)，研究人員已開發(fā)出一種新的層狀材料組裝工藝來防止接口污染。此外，使用石墨烯作為二維材料樣品表明，這兩種方法的結(jié)合會(huì)形成無污染石墨烯，該石墨烯目前尚未實(shí)現(xiàn)。

這項(xiàng)研究發(fā)表在2013年11月1日的《科學(xué)》雜志上。

電氣工程教授、該論文合著者Ken Shepard表示：“這是材料工程中一個(gè)令人興奮的新范式，與逐層增加的傳統(tǒng)方法相比，現(xiàn)在可以通過二維晶體的機(jī)械組裝來制造混合材料。從來沒有人能夠成功地實(shí)現(xiàn)像石墨烯這樣的二維材料的純邊緣接觸工藝。”

他補(bǔ)充道：“早期的研究主要關(guān)注于如何通過其他工藝如添加摻雜劑等來改善‘頂部接觸’。然而，新的邊緣接觸工藝比傳統(tǒng)方法提供了更有效的接觸，而無需進(jìn)一步復(fù)雜的加工處理。這讓我們研究設(shè)備應(yīng)用和探索基礎(chǔ)物理有了更多的可能性。”

2004年首次剝離出石墨烯，它是可供研究的最好的二維材料，并已經(jīng)成為數(shù)以千計(jì)的論文主題來研究其電氣性能及設(shè)備應(yīng)用。機(jī)械工程教授、也是該研究的合著者James Hone表示：“石墨烯接觸污染物時(shí)，其性能會(huì)降低。這表明污染問題與電接觸是緊密聯(lián)系的。任何高性能的電子材料必須密封在絕緣體中以保護(hù)其不受環(huán)境的影響。石墨烯缺乏平面結(jié)合的能力，這使得表面的電接觸變得十分困難，但這也防止其粘合到氧化物等常規(guī)三維絕緣體上。相反，通過使用二維絕緣體可獲得最好的結(jié)果，而無需在其表面粘合。直到現(xiàn)在我們才找到了一種方法來對完全密封的石墨片進(jìn)行電接觸。”

哥倫比亞大學(xué)博士后、該研究的領(lǐng)導(dǎo)者Cory Dean表示：“在這項(xiàng)工作中，我們團(tuán)隊(duì)同時(shí)解決了接觸和污染的問題。二維材料最大資本之一的石墨烯只有一個(gè)原子的厚度，我們可以直接進(jìn)入其電子結(jié)構(gòu)。同時(shí)，這也可能成為它最差的特性之一，因?yàn)檫@使得它對環(huán)境極為敏感。任何外界的污染可以迅速降低其性能。保護(hù)石墨烯免受擾亂、同時(shí)還允許電接觸的這種需要已經(jīng)成為阻礙石墨烯技術(shù)發(fā)展的最大障礙。通過僅從石墨烯的一維邊緣進(jìn)行接觸，我們已開發(fā)出一種重要的全新方式來連接我們的三維世界和這個(gè)迷人的二維世界，并且無需干擾其固有特性。這幾乎消除了外界污染，最終允許石墨烯在電子設(shè)備中發(fā)揮其真正潛力。

研究人員采用一種新技術(shù)將二維石墨烯層完全密封在一個(gè)薄的絕緣氮化硼晶體的夾層結(jié)構(gòu)中，并且將這些晶體層一個(gè)接一個(gè)地堆疊在里面。Dean解釋道：“我們組裝這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法完全消除層與層之間的任何污染，這可以通過橫切設(shè)備并觀察其在原子分辨率的透射電子顯微鏡成像來證實(shí)。”

一旦他們創(chuàng)建了堆棧，石墨烯的邊緣就會(huì)暴露蝕刻，然后將金屬蒸發(fā)到邊緣來建立電接觸。 通過沿邊緣進(jìn)行電接觸，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了在二維有源層和三維金屬電極之間的一維接觸。此外，盡管電子僅從石墨片的一維原子邊緣進(jìn)入，但接觸電阻是相當(dāng)?shù)偷?，可到達(dá)每微米100 Ohms的接觸寬度，這比石墨烯頂面接觸可實(shí)現(xiàn)的值更小。

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