Исследование опубликовано в журнале Science 1 ноября 2013 г.«Это захватывающая новая парадигма в материаловедении, где вместо традиционного подхода послойного роста гибридные материалы теперь могут быть изготовлены путем механической сборки составляющих 2D кристаллов», — говорит профессор электротехники Кен Шепард, соавтор статьи. . «Ни одна другая группа не смогла успешно достичь чистой геометрии контакта кромок с 2D-материалами, такими как графен».Он добавляет, что ранее были предприняты попытки улучшить «верхние контакты» с помощью дополнительных технических средств, таких как добавление легирующих добавок: «Наша новая геометрия контакта кромок обеспечивает более эффективный контакт, чем обычная геометрия, без необходимости дальнейшей сложной обработки. Сейчас их много. больше возможностей как для приложений устройств, так и для исследований в области фундаментальной физики ».Графен, впервые выделенный в 2004 году, является наиболее изученным двумерным материалом.
Ему посвящены тысячи статей, посвященных его электрическим свойствам и применению в устройствах. «Но почти во всех этих работах характеристики графена ухудшаются из-за воздействия загрязнений», — отмечает профессор машиностроения Джеймс Хоун, который также является соавтором исследования. «Оказывается, проблемы загрязнения и электрического контакта связаны. Любой высокопроизводительный электронный материал должен быть заключен в изолятор, чтобы защитить его от окружающей среды. Графен не обладает способностью создавать связи вне плоскости, что делает электрические контакт через его поверхность затруднен, но также препятствует соединению с обычными 3D изоляторами, такими как оксиды. Вместо этого наилучшие результаты достигаются при использовании 2D изолятора, которому не нужно связывать поверхность.
Однако не было никакого способа электрический доступ к полностью инкапсулированному листу графена до сих пор ».В этой работе, говорит Кори Дин, который руководил исследованием в качестве постдока в Колумбийском университете, а сейчас работает доцентом в Городском колледже Нью-Йорка, команда решила одновременно проблемы контакта и загрязнения. «Одним из величайших достоинств 2D-материалов, таких как графен, является то, что, будучи толщиной всего в один атом, мы имеем прямой доступ к его электронным свойствам. В то же время это может быть одним из его худших свойств, поскольку это делает материал чрезвычайно чувствительным к его окружающая среда. Любое внешнее загрязнение быстро ухудшает характеристики.
Необходимость защитить графен от нежелательного нарушения, сохраняя при этом доступ к электричеству, была самым серьезным препятствием на пути развития технологий на основе графена. Установив контакт только с 1D краем графена, мы разработали принципиально новый способ связать наш трехмерный мир с этим увлекательным двумерным миром, не нарушая присущих ему свойств. Это практически исключает внешнее загрязнение и, наконец, позволяет графену продемонстрировать свой истинный потенциал в электронных устройствах ».
Исследователи полностью заключили слой 2D-графена в сэндвич из тонких изолирующих кристаллов нитрида бора, используя новую технику, в которой слои кристаллов укладываются один за другим. «Наш подход к сборке этих гетероструктур полностью исключает любое загрязнение между слоями, — объясняет Дин, — что мы подтвердили, сделав поперечные сечения устройств и визуализировав их в просвечивающем электронном микроскопе с атомным разрешением».Создав стопку, они протравили ее, чтобы обнажить край графенового слоя, а затем напыли металл на край, чтобы создать электрический контакт.
Создав контакт по краю, команда реализовала одномерный интерфейс между двухмерным активным слоем и трехмерным металлическим электродом. И даже несмотря на то, что электроны входили только на одномерном атомном крае графенового листа, контактное сопротивление было удивительно низким, достигая 100 Ом на микрон ширины контакта — значение меньше, чем то, что может быть достигнуто для контактов на верхней поверхности графена.С помощью двух новых технологий — контактной архитектуры через кромку 1D и метода сборки в стопку, который предотвращает загрязнение на интерфейсах — команда смогла произвести то, что, по их словам, является «самым чистым графеном из когда-либо созданных». При комнатной температуре эти устройства демонстрируют недостижимые ранее характеристики, в том числе подвижность электронов, по крайней мере, в два раза большую, чем у любой традиционной 2D электронной системы, и удельное сопротивление листа менее 40 Ом, когда к листу добавляется достаточное количество зарядов путем электростатического «стробирования».
Удивительно, но это 2D листовое сопротивление соответствует «объемному» 3D удельному сопротивлению, меньшему, чем у любого металла при комнатной температуре. При низкой температуре электроны проходят через образцы группы без рассеяния — явление, известное как баллистический перенос.
Баллистический перенос ранее наблюдался в образцах размером около одного микрометра, но эта работа демонстрирует такое же поведение для образцов размером до 20 микрометров. «Пока что это ограничено только размером устройства, — говорит Дин, — указывая на то, что истинное« внутреннее »поведение даже лучше».В настоящее время команда работает над применением этих методов для разработки новых гибридных материалов путем механической сборки и краевого контакта гибридных материалов, вытягивая из полного набора доступных 2D-слоистых материалов, включая графен, нитрид бора, дихлкогениды переходных металлов (TMDC), оксиды переходных металлов. (TMO) и топологические изоляторы (TI). «Мы пользуемся беспрецедентными характеристиками, которые мы обычно достигаем в устройствах на основе графена, чтобы исследовать эффекты и приложения, связанные с переносом баллистических электронов в фантастически больших масштабах», — добавляет Дин. «При таком большом количестве текущих исследований, направленных на разработку новых устройств путем интеграции слоистых 2D-систем, потенциальные возможности применения невероятны, от вертикально структурированных транзисторов, туннельных устройств и датчиков, фотоактивных гибридных материалов до гибкой и прозрачной электроники».«Эта работа является результатом широкого сотрудничества исследователей, интересующихся как чистой, так и прикладной наукой», — говорит Хоун. «Уникальная среда в Колумбии предоставляет этим двум сообществам беспрецедентную возможность для взаимодействия и развития друг друга».
В 2010 году команда Колумбийского университета продемонстрировала первую технику механического нанесения двухмерных материалов на слои. Эти два новых метода, которые являются критически важными достижениями в данной области, являются результатом междисциплинарных усилий Лей Ванга (аспирант, электротехника, группа Hone) и Инанка Мерика. (Постдок, электротехника, группа Шепарда), соавторы этого проекта, которые работали с группами Филипа Кима (физика, прикладная физика и прикладная математика, Колумбия), Джеймса Хона (машиностроение, Колумбия), Кена Шепарда (электрика).
Инженерное дело, Колумбия) и Кори Дин (физика, Городской колледж Нью-Йорка).