瑞士聯邦材料測試與開發(fā)研究所：石墨烯納米帶研究取得新成就

瑞士聯邦材料測試與開發(fā)研究所：石墨烯納米帶研究取得新成就


最近，瑞士聯邦材料測試與開發(fā)研究所、德國馬克斯普朗克聚合物研究所的同事和其他合作伙伴取得了重大突破，未來將用于精確的納米晶體管甚至量子計算機。

石墨烯是當今最流行的新型材料之一，它是由單層碳原子組成的蜂窩結構。它是世界上已知的最薄、最輕、最結實的材料。石墨烯被譽為新材料之王，對整個工業(yè)的影響將具有顛覆性，目前已應用于柔性電子、高效晶體管、傳感器、新材料、電池、超級電容器、半導體制造、新能源、通信、電子器件等多個科學技術領域。阿赫茨技術、醫(yī)療等。

石墨烯導電性能非常好，甚至比銅強。石墨烯中的碳原子以獨特的方式排列。電子很容易以高速通過，而散射則不容易。因此，它不會像其他導體那樣浪費很多能量。

然而，石墨烯優(yōu)良的導電性也成為一個重要的限制：它不適用于半導體應用。眾所周知，硅是當今最廣泛使用的半導體材料。它的帶隙足夠大，可以用來接通或斷開電流。這種能力對現代二進制計算機的關鍵元件晶體管至關重要。不幸的是，石墨烯沒有這樣的帶隙。

然而，石墨烯納米帶可以突破這一限制，充分發(fā)揮石墨烯的半導體潛能。納米帶只有幾個碳原子寬，一個碳原子厚。根據其形狀和寬度，納米帶將具有不同的電子性質：導體、半導體和絕緣體。

為此，作者介紹了瑞士聯邦材料試驗與發(fā)展研究所（EMPA）的研究人員與德國馬克斯普朗克聚合物研究所和加州大學伯克利分校的研究人員合作，生產寬度僅為1納米、長度為50納米的石墨烯納米帶。以及制造只有幾個原子寬度的納米晶體管。

今天，讓我們繼續(xù)關注由瑞士聯邦材料測試與開發(fā)研究所（EMPA）納米技術表面實驗室領導的國際研究團隊使用石墨烯納米帶所取得的新成就。

EMPA的研究人員與德國緬因州馬克斯普朗克聚合物研究所的同事以及其他合作伙伴取得了重大突破。他們通過獨特的改變石墨烯納米帶的形狀，成功地調整了其性能。這項技術的獨特之處在于，它不僅可以改變傳統的性能，而且還可以改變傳統的性能。上面提到過，但也可以用來產生獨特的局部量子態(tài)。

在不久的將來，它將被用于實現精確的納米晶體管甚至量子計算機，研究小組在最新一期的《自然》雜志上發(fā)表了研究結果。

那么，這項研究背后的機制是什么呢如果石墨烯納米帶的寬度發(fā)生變化，在這種情況下，從7個原子到9個原子，在過渡過程中會產生一個特殊的區(qū)域。由于這兩個區(qū)域的電子性質因其特殊的拓撲模式而不同，因此在過渡區(qū)域中會產生一個新的受保護且非常強大的量子態(tài)。這種局域性ZED電子量子態(tài)現在可以作為生產定制半導體、金屬或絕緣體的基本元件，甚至可以作為量子計算機的一部分。

當石墨烯納米帶包含不同寬度的區(qū)域時，過渡區(qū)將產生新的量子態(tài)。

由Oliver Grning領導的EMPA研究人員可以證明，如果不同寬度的區(qū)域有規(guī)律地交替地由這些納米帶組成，將通過大量的轉換形成一個具有獨特電子結構和互連的量子態(tài)鏈。令人興奮的是，這種量子態(tài)鏈的電子性質HAIN根據不同分區(qū)的寬度而不同。這使得它們可以被微調，從導體到具有不同帶隙的半導體。這一原理可以應用于不同類型的過渡區(qū)，如7到11個原子。

格寧說，獨立于我們的加利福尼亞大學伯克利分校的一個研究小組也取得了類似的成果。這個事實也強調了這項研究和發(fā)展的重要性。美國研究小組的研究發(fā)表在同一期《自然》雜志上。

頂部（第1行）：混合納米帶由兩個不同的前體分子制成。左（?。┣绑w分子形成一個光滑的7個碳原子寬的納米帶。較大的前體分子形成7到11個碳原子寬度的菱形分區(qū)。

原子力顯微術（原子力顯微術）（第2行）：在石墨烯納米帶中間有五個菱形區(qū)（7-11區(qū)），在左右兩側有七個平滑的原子寬度納米帶，黑色的比例為1納米。

掃描隧道顯微術（第3行）：金剛石區(qū)域兩端的局部量子態(tài)（亮區(qū)）的顯微圖像。分區(qū)與上述AFM圖像相對應。

掃描隧道顯微圖像的模擬（第4行）：實驗中量子態(tài)如何出現在金剛石分區(qū)兩端的理論預測。

基于新的量子鏈，科學家們將能夠在未來制造出精確的納米晶體管，這將是朝著納米電子學目標邁出的重要一步。狀態(tài)1和狀態(tài)0之間的切換距離是否足夠大取決于半導體的帶隙。根據這種新方法，幾乎可以隨意設置。

事實上，一切都不是那么簡單。為了使這條鏈具有所需的電子性質，數百甚至數千個原子必須處于正確的位置。EMPA研究人員Grning說：這是基于復雜的跨學科研究。來自Dubendorf、Mainz、Dresden和Troy（美國）的研究人員一起工作，從理論理解和具體知識（必須如何構建前體分子以及表面結構如何選擇性生長）到使用掃描隧道顯微鏡進行結構和電子分析。。

如今，電子電路變得越來越小。超小型晶體管將是下一個發(fā)展目標，但也是本研究的一個明顯的應用可能性。盡管技術上具有挑戰(zhàn)性，但基于納米晶體管的電子器件的工作方式與當今的微電子器件基本相同。EMPA的研究人員已經創(chuàng)造出了半導體納電子器件。將晶體管的溝道截面縮小到現在制造的晶體管的千分之一的Noribbon。然而，我們可以進一步想象其他的可能性，如自旋電子學甚至量子信息學。

這是因為不同寬度的石墨烯納米帶連接處的電子量子態(tài)也帶有磁矩。這使得它可以在不帶電荷的情況下處理信息（以前通常的方法），但使用所謂的自旋，也就是旋轉狀態(tài)。相關的發(fā)展可以更進一步。Oliver Grning解釋說：我們已經觀察到拓撲結束態(tài)出現在一個特定的量子子鏈的末端，可以作為量子比特的一部分，量子計算機中的一種復雜的互鎖態(tài)。

然而，在不久的將來，通過納米帶構造量子計算機是不可能的，還有許多研究要進行。Grning說，通過單量子態(tài)的目標組合靈活調整電子特性是新材料生產的一個巨大飛躍。這些材料在一般環(huán)境條件下是穩(wěn)定的，在未來的應用發(fā)展中將發(fā)揮重要作用。

格蘭寧說：將來，利用這些鏈來創(chuàng)造局部量子態(tài)，并以有針對性的方式將它們連接起來，也將具有巨大的潛力和吸引力，盡管這種潛力是否能被未來的量子計算機所利用還不得而知。在納米帶中創(chuàng)造局部拓撲態(tài)還不夠，納米帶必須是成對的。d與其他材料，如超導體，在某種程度上滿足量子比特的實際條件。

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