人造石墨烯研製成功！或重新定義納米製造工藝最高水平

導語：本世紀初時，石墨烯的發現在物理學界引起了巨大的反響。身為首個在現實世界裡現身的二維材料，它很快就成為了科學家眼中的寵兒。但石墨烯作為一種天然物質，只有一種固定的原子排列，因此所有關於石墨烯的實驗都必須適應這些約束條件。不過最近哥倫比亞大學的專家製成了性能更加優異的半導體「人造石墨烯」器件，完美的解決了這一問題。

圖|傳統石墨烯結構

石墨烯中碳原子獨特的排列提供了一個可以測試傳統材料中難以觀察到的新量子現象的平台。憑藉其不同尋常的電子屬性：它的電子在散射之前可以經過很長的距離，石墨烯作為一種性能超凡的導體，這些屬性還顯示出其他獨特的特性，使得電子就好像是接近光速的相對論粒子一樣，具有非相對論性電子所不具備的奇異性質。但石墨烯晶格中原子的位置是固定的，相比之下，人造石墨烯中晶格的間距和配置可以在很大的區間內自由設定。這般強大的多功能特性使得人造石墨烯成為了凝聚態領域研究人員眼中的寶物。

這次研究是由哥倫比亞大學工程系專攻納米級物質操縱方面的專家主導，通過與普林斯頓大學，普渡大學和義大利科技大學的同事合作，該團隊首次重新設計了石墨烯在半導體器件中的電子結構，從而製造出了新型「人造石墨烯」。

圖|蝕刻支柱就是指在六邊形晶格排列中量子點（紅色坑窪）的位置。當量子點之間的間距足夠小時，電子可以在它們之間移動。（來源：Diego Scarabelli /哥倫比亞大學工程系）

哥倫比亞大學工程系應用物理和物理學教授，該研究的資深作者Aron Pinczuk說：「這個裡程碑式的成就重新定義了凝聚態物質科學和納米製造領域的最高水平。「雖然人造石墨烯已經被應用到了光學、分子和光子格等其他系統中，但這些平台缺乏半導體加工技術所能提供的多功能性。而半導體人造石墨烯器件可能成為探索新型電子開關、高性能晶體管、甚至量子態信息存儲新方法的平台。

應用物理和應用數學系研究員，該研究的合著者Shalom Wind說：「這是一個迅速成長的研究領域，以前許多無法企及的新現象現在都已被發現。隨著我們不斷探索基於電控制人造石墨烯的新型器件，我們可以挖掘出石墨烯在光電和數據處理領域的更多潛力。」

「這項工作實際上是人造石墨烯技術的一大進步，之前的理論曾預測石墨烯類電子系統是經人工創建，並用圖形化2D電子氣調諧的。但一直到這次哥倫比亞大學的研究之前，還沒有人成功在工程半導體納米結構中成功觀察到這些特性。「加州大學伯克利分校物理學教授Steven G. Louie說。「以前的分子，原子和光子結構實驗僅能代表通用性和穩定性都很差的系統。這次的納米半導體結構則為探索新科學及其實際應用提供了新的機會。

研究人員使用傳統晶元技術中的工具，在標準的砷化鎵材料半導體中開發人造石墨烯。他們設計了一個分層結構，以使電子只能在一個非常狹窄的層內移動，從而有效地創建一個2D層面。他們使用納米光刻、蝕刻來刻畫砷化鎵：刻畫後砷化鎵產生了能將電子限制在橫向方向的六邊形晶格。通過將這些所謂的「人造原子」放置得彼此足夠接近（相距50納米左右），這些人造原子能夠以量子力學的方式相互作用，這類似於原子在固體中共享其電子的方式。

圖|綠色層代表電子可以在其中移動的2D層。納米光刻和蝕刻形成了小柱子，在其下方的量子點排列成六邊形晶格。在底部掃描電子顯微照片就會顯示六邊形陣列，從頂部以一個特定角度來看，它的周長只有50納米。（來源：Diego Scarabelli /哥倫比亞工程）

小組通過照射激光探測人造晶格的電子狀態並測量散射光線。散射光能顯示出電子從一個狀態跳變到另一個狀態後損失的能量。當他們把這些狀態轉變映射出來時，研究小組發現他們正在以接近「狄拉克點」（一種石墨烯的特徵，在這個點電子密度會消失）的線性方式趨近於零。

這種人造石墨烯與天然石墨烯相比有很多優點：例如，研究人員可以通過調整蜂窩晶格來調節電子行為。而且由於量子點之間的間距比天然石墨烯中的原子間距要大得多，研究人員可以在磁場的作用下觀察到更為奇特的量子現象。

石墨烯和其他新型低維材料（如超薄層狀范德華薄膜等）的發現，為本研究奠定了基礎。Pinczuk指出：「之前納米加工技術的進步對本次我們的研究至關重要。這些先前的研究為我們提供了一個不斷擴大的『工具箱』，我們可以藉此刻畫出無數納米尺度的高質量圖案。毫不誇張地說，這次發現使我們這個領域的物理學家都倍感振奮。」

2010年的諾貝爾物理學獎將石墨烯帶入了人們的視線，自發現以來，石墨烯就得到了廣泛關注並取得了不斷發展，但在現階段的技術研發中扔面臨著許多挑戰，不過，這些挑戰也是我們未來研究的肥沃土壤。如果說20世紀是硅的世紀，石墨烯則開創了21世紀的新材料紀元，將給世界帶來實質性變化，我們相信石墨烯及其相關技術的前途一片光明。

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編譯：褚茗帆

審閱：星亦

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