三明治結(jié)構(gòu)可減少石墨烯晶體管電子泄露

石墨烯令人驚奇的導(dǎo)電性幫助英國(guó)科學(xué)家摘得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的桂冠，但這也讓科學(xué)家用石墨烯制造晶體管變得困難重重，現(xiàn)在，科學(xué)家們?cè)凇犊茖W(xué)》雜志撰文指出，一種新方法可讓石墨烯內(nèi)的電子不再平滑流動(dòng)，從而大大減少電子泄露，有望讓以石墨烯為基礎(chǔ)制造的超快計(jì)算機(jī)離我們更近。

石墨烯是從石墨材料中剝離出來(lái)的由碳原子組成的二維晶體。它只有一層碳原子的厚度，是目前世界上最薄的材料。英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的教授安德烈·海姆和同事康斯坦丁·諾沃肖洛夫2004年在世界上最早制作出石墨烯，并因此共同摘得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的桂冠。

與硅相比，石墨烯能讓電子更順暢地流動(dòng)。科學(xué)家們也對(duì)其寄予厚望，認(rèn)為其可以制造出能以前所未有的速度運(yùn)行的計(jì)算機(jī)電路。但石墨烯內(nèi)電子的平滑流動(dòng)也產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題。為了執(zhí)行計(jì)算，計(jì)算機(jī)需要能自由地打開(kāi)和關(guān)閉其電流中電子的流動(dòng)。打開(kāi)和關(guān)閉以便調(diào)節(jié)電子流動(dòng)的“門”被稱為晶體管。當(dāng)晶體管處于“關(guān)閉”狀態(tài)時(shí)，電子會(huì)泄露出來(lái)。為此，科學(xué)家們也嘗試了很多解決辦法，包括將電子限制到單層石墨烯內(nèi)，但仍然存在泄露。

現(xiàn)在，諾沃肖洛夫和同事找到了一種克服泄露問(wèn)題的方法，那就是讓一層二硫化鉬位于兩層石墨烯之間組成三明治的形式，他們發(fā)現(xiàn)，這樣得到的石墨烯“三明治”晶體管能有效地減少電子泄露?？茖W(xué)家們表示，這一層二硫化鉬扮演著絕緣體的角色，它能阻止電子采用正常的方式從一層石墨烯流到另一層石墨烯，這就形成了“關(guān)閉”狀態(tài)。另一方面，量子力學(xué)效應(yīng)使得少數(shù)電子能“隧穿”過(guò)二硫化鉬。施加電壓會(huì)讓電子的能量增強(qiáng)，使得能發(fā)生“隧穿”的電子越來(lái)越多，導(dǎo)致一個(gè)相當(dāng)大的電流開(kāi)始形成，這就是“開(kāi)啟”狀態(tài)。通過(guò)改變電壓，研究人員能打開(kāi)和關(guān)閉電流，使這一“三明治”設(shè)備“變身”為一塊晶體管。

諾沃肖洛夫表示，同以前用石墨烯制造的晶體管相比，新的石墨烯“三明治”晶體管能將電子泄漏減少十分之一。該研究團(tuán)隊(duì)聲稱，通過(guò)增加絕緣體層的厚度能在未來(lái)進(jìn)一步減少電子的泄漏。