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从半金属到半导体:碳化硅上的外延石墨烯

科学探索万象经验2024-01-27

石墨烯被认为是一种潜在的新型电子材料,可以用来制造更快、更小、更节能的电子器件。但是,石墨烯也有一个很大的缺点,那就是它没有带隙。什么是带隙呢?简单地说,带隙是指一个材料中电子能量的一个禁区,电子不能在这个区域内存在。

如果一个材料有带隙,那么它就可以通过控制电压或电流来调节电子的流动,从而实现开关或逻辑功能。这就是为什么我们常用的半导体材料,比如硅或锗,都有一定的带隙。而石墨烯没有带隙,意味着它不能很好地控制电子的流动,因此很难用它来制造晶体管或其他电子元件。

那么,有没有办法给石墨烯制造一个带隙呢?人们已经尝试了很多方法,比如切割石墨烯成纳米带,或者在石墨烯上添加一些化学物质,但是这些方法都没有取得很好的效果,要么带隙太小,要么迁移率太低。迁移率是指电子在一个材料中的移动速度,它决定了一个材料的电导率和开关速度。一个好的半导体材料应该有一个合适的带隙和一个高的迁移率,这样才能实现高效的电子控制。

最近,一篇发表在《自然》杂志的论文发现了一种新的方法,可以在碳化硅上生长出一种具有带隙和高迁移率的石墨烯,他们称之为半导体外延石墨烯。

碳化硅是一种常用的半导体材料,它可以承受高温和高压,而且具有很好的化学稳定性。如果我们把碳化硅加热到一定的温度,那么表面的硅原子就会蒸发掉,留下一层碳原子,这就是石墨烯。这种方法可以在碳化硅的两个不同的表面上生长出石墨烯,分别是碳端面和硅端面。

在碳端面上生长出的石墨烯是半金属的,也就是说,它没有带隙,和普通的石墨烯一样。但是,在硅端面上生长出的石墨烯就有些不同了。在硅端面上,第一层石墨烯和碳化硅之间有一些化学键,这使得它的电子结构发生了变化,形成了一个带隙。这一层石墨烯被称为缓冲层,它是一种半导体材料。

在缓冲层上面,还可以生长出更多的石墨烯层,这些层就是半金属的,和普通的石墨烯一样。所以,我们可以在碳化硅的硅端面上得到一个由半导体缓冲层和半金属石墨烯层组成的结构,这就是外延石墨烯。

那么,这种外延石墨烯有什么特别的地方呢?首先,它的缓冲层具有一个很大的带隙,大约是0.6电子伏特,这比硅的带隙还要大一些。这意味着它可以很好地控制电子的开关,而且可以抵抗一些噪声或干扰。

其次,它的缓冲层具有一个很高的迁移率,比硅的迁移率高出10倍,比其他的二维半导体材料高出20倍。这意味着它可以实现很快的电子传输,而且可以制造出更小的电子器件。

第三,它的缓冲层和碳化硅的晶格是对齐的,这使得它可以很好地与碳化硅的衬底结合,而不会产生一些缺陷或应力。这意味着它具有很好的化学、机械和热稳定性,可以承受高温和高压的环境。

第四,它的缓冲层和半金属石墨烯层之间可以很容易地进行电子的转换,这使得它可以与半金属石墨烯无缝地连接,形成一些复杂的电子结构。这意味着它可以实现很多种类的电子功能,比如逻辑、存储、传感等。