材料新贵“石墨烯”:从导电、散热、抗烧蚀来提高电气产品的性能

2022-06-11   小小师傅维修

原标题:材料新贵“石墨烯”:从导电、散热、抗烧蚀来提高电气产品的性能

真正的石墨烯电学器件,是通过将衬底上的单层石墨,经过一系列的半导体工业标准方法,制作成霍尔条、两端口、四端口等等不同的器件而成。

hBN封装的石墨烯霍尔条器件

石墨烯器件的外电极,衬底为285nm的SiO2/p-doped Si

单层石墨的获取方法有很多:

1) 机械剥离。将石墨通过胶带剥离后放在衬底上,研究人员使用显微镜来搜寻单层石墨烯。这样获得的石墨烯一般是百微米的尺度。随后,一般会使用转移、旋涂感电胶、电子束刻蚀、干化学腐蚀、第二次电子束刻蚀、沉积金电极。对于hBN封装的器件,熟练的研究生可以轻松制作出超高迁移率(>100,000 cm2V-1s-1)。由于是纯手工,这样的器件价格极为昂贵。

2) CVD、epitaxy等等生长,然后通过类似以上的手段获得器件。其迁移率相对较低,但是由于生长出的薄膜尺寸很大,目前已经有较为便宜的产品出现。

对于目前的材料新贵“石墨烯”,是否可以借助它的诸多优势,从导电、散热、抗烧蚀来提高电气产品的性能?

由于石墨烯的超高迁移率和易于制备的特性,商业上主要能用作:

1. 电阻标准。石墨烯,尤其是外延生长的石墨烯,可以在2K 3T左右,进入量子霍尔态。其霍尔电阻是一个只和物理学常数有关的绝对值,因此可以用于精密测量和装备制造。例如,国际 (或者星际)沟通电阻标准的时候,我们可以给国外(或者外星人)寄过去一个石墨烯器件,并约定使用其霍尔电阻作为沟通的自然单位。其竞争对手主要是量子反常霍尔器件,因为它们不需要磁场。

2. 超高迁移率,GFET可能可以用于HEMT的制造,但目前的性能还远不及GaAs/GaAlAs器件,但是胜在便宜量大。未来进入星际时代,在月球上生产GFET要比GaAs/GaAlAs简单得多。

3. 红外探测、单光子器件等等。

由于其单原子层的脆弱性,以及器件总是需要衬底(即块材),石墨烯和少层石墨烯,在室温下抗腐蚀、散热没有绝对的优势。但是在稀释制冷机温区(<300mK),得益于其电子不是被势阱囚禁而是被单原子层囚禁,给石墨烯降温要比给其他半导体材料(哪怕GaAs/GaAlAs)要简单的多。

此外,对于传输电的特殊技术,如“高温超导”,是否可以利用石墨烯的特性来实现?

石墨烯上的超导(无论是Andrea组发现的双层石墨烯、三层石墨烯,还是转角石墨烯)都是“原理上可能类似高温超导”,由于其栅极诱导的电子浓度很低,哪怕是高温超导区段也远低于液氮温度,所以石墨烯上的超导并不能有什么商业价值,但是这样的超导态可能在光子探测上有很强的用处。

传输电还有其他的特殊技术,比如使用量子霍尔态或者量子反常霍尔态的边缘态进行器件上的电子输运,这样的电子输运在进入电极前,是没有耗散的。这样的态,除开以及有的精密测量的应用,未来进入太空时代(太空背景温度<4K),也很有可能成为片上电输运的基础。