我不敢相信这不是石墨烯:纳米工程人造石墨烯

• 新设施改善了FLEET的“人造石墨烯”研究
• ”就像开一辆新的玛莎拉蒂!”

石墨烯和其他二维原子薄晶体的惊人电学特性是由于其晶格结构的对称性。

例如，石墨烯著名的“蜂窝状”晶格使电子表现得像无质量的电子一样——移动速度比硅(当今大多数计算机处理器中使用的半导体材料)快70倍。

(顺便提一下，这也是为什么石墨烯晶体管制造如此困难的原因。它们总是开着，而且很难关掉。)

石墨烯和类似的二维材料在用于任何商业可行的未来电子技术之前面临着挑战:目前用于制造石墨烯的技术不够坚固，也不够可扩展，无法用于工业制造。

一种很有希望的替代方法是利用传统的半导体材料“设计”出人工版本的石墨烯，以满足工业需求。

FLEET使用先进的纳米制造技术来操纵这种半导体的表面结构，在纳米尺度上创建必要的图案，以精确地重建石墨烯和二维拓扑绝缘体的电子结构。

在百万分之一毫米的尺度上工作，这种纳米工程材料被称为人工模拟石墨烯和二维拓扑绝缘体，或简称为“人造石墨烯”。

“这不是一项微不足道的任务，”FLEET的Oleh Klochan博士解释说，他是新南威尔士大学这项研究的负责人。

Klochan博士说:“要在传统材料中成功地模仿石墨烯或拓扑绝缘体，合成无缺陷的周期性晶格，需要以纳米分辨率精确定位晶格位置。”

一种新的原子层沉积体系由FLEET资金支持的，最近已为该项目投入使用，现在已全面投入使用。

“我们现在正在用它来制作样品，我们对此非常满意，”Oleh说。“就像你开着一辆非常旧的车很多年了(它总是出故障，机械师也修不好)，现在你有了一辆全新的玛莎拉蒂，你才意识到这么多年来你都在哪里……”

人工拓扑系统是FLEET中用于通过拓扑材料实现“无耗散”电子传输的几种方法之一，这可能是未来超低能耗电子产品的关键。雷竞技苹果版

面对人工拓扑绝缘体的挑战

在新南威尔士大学的Oleh团队中，自上而下的处理从最干净和最广泛研究的半导体开始，这是一种GaAs-AlGaAs异质结构，其散射平均自由程超过100 μm。

为了制造出所需的人造六边形晶格，研究小组使用了高分辨率电子束光刻技术

这种方法可以精确控制人造石墨烯的晶格常数，可控地引入晶格缺陷，甚至可以精确地创建局部应变，这在天然材料中是不可能的，从而可以对狄拉克材料的输运理论进行详细的测试。(这个项目的理论部分由Oleg Sushkov领导。)

这种人工拓扑绝缘体的明显优点是:

•易于与传统半导体技术集成
•利用半导体纳米级结构自上而下制造技术的进步能力
•通过栅电极(“开关”)控制拓扑特性。

“通过改变栅电极上的偏置，我们可以将我们的系统从具有无耗散边缘状态的人工拓扑绝缘体转换为常规绝缘体，”Oleh说。

实现这种“切换”是FLEET的一个重要里程碑，它实现了现代电子基础的二进制功能(即0和15)。

Oleh解释说:“这种方法的成功不仅使以前所未有的精度控制无耗散传输成为可能，而且为使用这种人工设计的拓扑材料进行可重复和可靠的大规模生产指明了方向。”雷竞技苹果版

其他进步和新设施

Oleh的团队最近开发了一种新型制造技术为人工设计的材料提供更均匀的人工晶格，对宿主二维系统的破坏更小。这些改进的好处可以在由此产生的电力运输数据中直接看到。

制造包括两个关键部分:

1. 半导体晶体管是任何电子设备的基础。采用新的FLEET原子层沉积工具沉积栅极介质薄膜，显著提高了器件的成品率。
2. 人造晶格，设备的“活动”区域。电子束光刻(ANFF节点UNSW)用于写入图案，然后是反应离子蚀刻(ANFF节点ANU)将图案转移/雕刻到半导体中。RIE工具是2018年投入使用的全新工具。

“因为有了这两台机器，我们现在可以制造出更高级的设备，”Oleh说。

“现在我们有了更好的设备，挑战是通过电子输运测量找到狄拉克物理的特征，即‘最佳点’。我们得到了一些非常不寻常的结果，但仍在努力理解它们(这就是我们与FLEET/新南威尔士大学理论家奥列格·苏什科夫合作的地方)。”

Oleh最近在堪培拉新南威尔士大学担任讲师，并搬迁了一所大学稀释冰箱在那里。该装置将用于低温/高磁场电输运测量。所有舰队成员均可使用此设施。

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雷竞技苹果版代表了材料科学的范式转变，1987年首次提出，但在过去十年中才在实验室中得到证明。

拓扑绝缘体只沿其边缘导电，并且严格沿一个方向导电，没有传统电子产品中耗散能量的“后向散射”。这种单向流动是由于载流电子的手性(自旋)。

为了使新技术成为传统晶体管的可行替代品，所需的性能必须在室温下实现——如果你必须使用更多的能量来保持系统过冷，那么在晶体管开关上节省能量是没有意义的。

拓扑晶体管会“切换”，就像传统晶体管一样。施加控制电压将在拓扑绝缘体(“开”)和传统绝缘体(“关”)之间切换拓扑材料的边缘路径。

舰队

雷竞技苹果版拓扑材料的调查FLEET的研究主题该项目旨在建立超低电阻电子路径，以创造新一代超低能耗电子产品。

FLEET是arc资助的研究中心，汇集了100多名澳大利亚和国际专家，开发新一代超低能耗电子产品，以减少计算消耗的能量。

更多的信息

• 请联系Oleh Klochan博士klochan@phys.unsw.edu.au
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