研究人员将石墨烯悬浮在周期性极化的铌酸锂表面。“条纹”表示不同的极化区。

（来源：宾夕法尼亚大学）

 

石墨烯，一种单原子层晶格的碳原子，常常被誉为一种可取代硅在电子产品领域核心地位的革命性材料。它不仅有着无与伦比的电子输运的速度，而且具有二维形貌，这使其成为一种非常有吸引力的可替代硅材料的选择，但目前仍然有几个难点需要克服。

来自宾夕法尼亚大学、加州大学伯克利分校以及伊利诺伊大学厄巴纳－香槟分校的研究人员组成的团队在解决其中一个难题方面已取得重要进展。通过一种可改变单片石墨烯内给定区域中电子的数量的方法，他们对使用二维材料来制备半导体装置基本构件提出了一个验证性原则。

不仅如此，他们的方法可通过电场来调节该值（单片石墨烯内给定区域中电子的数量）的大小，意味着以这种方式制成的石墨烯电路元件可以在不更换设备的条件下动态地“重新连接”。

由于通过添加其它化学物质可以很容易改变硅的电荷载流子密度以及自由电子数量，这种“掺杂”工艺获得的“P型”和“N型”半导体使硅可以相应具有更多的正电荷载流子或负电荷载流子。

P型和N型半导体之间的异质结是电子设备的构建块。将这些P－N异质结按顺序排列在一起形成的晶体管，可被合并到集成电路、微芯片和处理器中。

虽然通过化学方法掺杂石墨烯得到P型和N型半导体材料是可行的，但是需要牺牲石墨烯一些独特的电子特性。通过在材料局部施加变化的电压可得到类似的效果，但制造和放置电极会抵消石墨烯形貌所具有的优点。

“我们已经想出了一种非破坏性的、可逆的掺杂方式，” Rappe说道，“这种方式不会引起石墨烯任何的物理变化。”该团队的方法是在铌酸锂表层沉积一层石墨烯。铌酸锂是一种具有极性的铁电材料，表面具有正电荷或负电荷，通过施加电场脉冲可以改变其表面电荷的正负性。

“这是一个不稳定状态，” Rappe说道，“在这种情况下具有正电荷的表面想要积累负电荷，反之亦然。为了解决这个问题，你可以在其中加入离子或者通过氧化得失电子的方式消耗掉这些电荷，但我们已经想出了第三种方法。”“在之前所述氧化物的表面上沉积有石墨烯，如果氧化物表面说“我想要更多的负电荷”，而不是从周围环境聚集离子或获得电子，石墨烯说“我可以为你保存电子”，那么电子马上就可以在附近聚集。”

Rappe建议使用铌酸锂，因为它已普遍应用于光学工程，并且铌酸锂具有可用于制备P－N结的特性。研究人员采用具有周期性极化的铌酸锂材料，得到在正负之间具有交替条纹的极区。“由于铌酸锂结构域的特性，” Shim介绍道，“基于其结构域下方的特性，石墨烯不同区域具有不同的性质。由此可以通过简单的方法在石墨烯单个薄片上制备P－N结甚至P－N结阵列。这将会大力促进石墨烯的发展，正如P－N结和互补电路对于目前的半导体电子一样。”

“更令人兴奋的是使得光电子可以使用石墨烯，而且通过波导、透镜和周期性操作可将电子封闭在一个原子层厚度的材料中。”

该实验还在器件中添加单个栅极装置，该装置允许通过施加不同的电压来改变其整体载流子浓度。考虑到氧化物如何平衡表面电荷，或者如何通过水溶液结合离子，研究人员可以给出氧化物的偏振和石墨烯电荷载流子浓度之间的关系。

由于氧化物的偏振很容易被改变，石墨烯掺杂的类型以及掺杂程度也可以一起被改变。“当你将产生特定电场的前端靠近氧化物时，你能改变氧化物的偏振。” Martin说道。“你在该区域写了一个“向上”结构域或“向下”结构域时，石墨烯的电荷密度将反映出这种变化。你可以使石墨烯在该区域为P型或N型，而且如果你改变主意，你可以删除它，然后重新开始。”

和化学掺杂半导体相比，这就是该技术具有的一种优势。因为一旦其他原子掺入材料中，改变其载流子密度，那么这些掺杂的院子将不能被移除。将来的工作主要集中于将这种技术应用于设计动态半导体设备。

 “目前我们还不能做这部分工作，但是这是我们想要研究的方向，” Rappe说道，“还有一些氧化物可以在纳秒尺度上进行复极化，因此你可以根据需要做一些真正的动态变化。这为进一步的研究开启了很多的可能性。”

这项研究是由宾夕法尼亚大学的Andrew Rappe团队、加州大学伯克利分校的Lane Martin团队和伊利诺伊大学Moonsub Shim团队协作完成的。该研究成果发表在《自然通讯》杂志上。

 

新材料在线编译整理—— 翻译：杨超