研究人员开发了一种“连接”石墨烯纳米带（GNR）的方法，石墨烯纳米带是一类对微电子器件规模化感兴趣的一维材料。使用基于直写扫描隧道显微镜 (STM) 的工艺，在单个GNR上制造纳米级金属触点，并且可以控制GNR的电子特性。研究人员表示，这是首次证明能够确定地与特定GNR形成金属接触，并且这些接触会诱导晶体管功能所需的器件功能。
这项研究的结果由电气与计算机工程 (ECE) 教授Joseph Lyding、ECE研究生Pin-Chiao Huang和材料科学与工程研究生Hongye Sun领导，最近发表在《ACS Nano》杂志上。
“石墨烯已经存在了一段时间，人们认为它有可能成为一种高速电子材料，甚至可能取代硅，”莱丁解释道。“但石墨烯本身的问题在于它不是半导体。” 石墨烯是一层单原子厚的碳原子层，虽然它可能是已知最薄的材料，但它也非常坚固。通过将石墨烯做得非常小或将其加工成特定的形状（如带状），可以在石墨烯中诱导出半导体特性。在这个项目中，合著者Alexander Sinitskii和他在内布拉斯加大学的团队合成了原子级精确的GNR。
用GNR制造晶体管的过程包括将它们放在硅基板上、连接电路并通过电线流过电流以测量晶体管特性。该团队已经迈出了关键的一步，将GNR的直径比DNA分子的直径还窄，并将它们连接起来。他们开发了一种技术，其中的电路也只有几纳米宽。
其他研究人员通过在硅表面放置许多GNR并放置巨型电极来解决这个问题，并希望能取得最好的结果。然而，这种方法引入了很多不确定性。Lyding和他的学生使用了一种更精确的方法来连接GNR。他们使用扫描隧道显微镜（一种原子分辨率成像工具）扫描表面，寻找可以使用的GNR。在STM中，将尖锐的尖端靠近表面（纳米量级）并扫描整个表面。尖端和表面之间存在电流，当尖端遇到表面上的原子时（例如在减速带上行驶），电流就会受到调制。这允许GNR的检测和成像。
一旦找到GNR，他们就会使用STM中的电子束触发二硼化铪前驱体分子的金属沉积，从而形成导线。合著者Gregory Girolami和他在UIUC化学系的团队合成了这个过程的前体，称为STM直接写入。“我们的接线方法非常精确。当我们看到GNR时，我们可以定义一个我们想要的图案，然后我们将它连接起来。这不仅仅是盲目地将电极扔在表面上，”黄说。
这种方法的另一个优点是它是在超高真空 (UHV) 中完成的。这可确保材料保持清洁，免受大气中的水和其他降低设备性能的“垃圾”的影响。
研究人员还研究了GNR的电子特性，发现通过放置金属触点可以改变电子特性。半导体“掺杂”是有意引入杂质以改变其电子特性。Sun解释说：“掺杂GNR的一种方法是使用不同的化学反应来改变GNR的性质。但这个过程很困难。我们的方法是沉积金属。而且我们实际上可以选择我们想要的金属种类。穿上GNR，这也可以调整GNR特性。这是一种本质上掺杂我们的GNR的方法，而无需实际使用掺杂剂。”
Lyding说：“我们现在正在研究的下一步是制造一个真正的晶体管并实际测量晶体管的特性。但我们知道我们可以使用超高真空来完成这种原始的工艺来制造电极这对于设备功能来说是绝对必要的。”
Journal Reference:
- Pin-Chiao Huang, Hongye Sun, Mamun Sarker, Christopher M. Caroff, Gregory S. Girolami, Alexander Sinitskii, Joseph W. Lyding. Sub-5 nm Contacts and Induced p–n Junction Formation in Individual Atomically Precise Graphene Nanoribbons. ACS Nano, 2023; DOI: 10.1021/acsnano.3c02794
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