15年來(lái)，科學(xué)家們一直試圖利用石墨烯這種“神奇的材料”來(lái)制造納米級(jí)電子產(chǎn)品。理論上，石墨烯的偉大之處在于：它超級(jí)薄——只有一個(gè)原子那么厚。因此石墨烯是二維結(jié)構(gòu)，非常適合導(dǎo)電，應(yīng)該是制造未來(lái)更快、更節(jié)能的電子產(chǎn)品的理想材料。此外，石墨烯由碳原子組成，而碳原子可謂是取之不盡。
理論上，可以通過(guò)在石墨烯內(nèi)部繪制微小圖案來(lái)改變其量子性質(zhì)，從而使其在電子學(xué)、光子學(xué)或傳感器領(lǐng)域完成許多不同的任務(wù)。有一項(xiàng)很“簡(jiǎn)單”的任務(wù)，但是執(zhí)行起來(lái)卻出人意料地困難，那就是誘導(dǎo)產(chǎn)生對(duì)晶體管和光電器件的制造至關(guān)重要的能帶隙。然而，由于石墨烯只有一個(gè)原子那么厚，因此構(gòu)成石墨烯的所有原子都很重要，即使繪制圖案時(shí)出現(xiàn)很微小的不整齊，也會(huì)破壞石墨烯的性質(zhì)。
丹麥技術(shù)大學(xué)(DTU)物理學(xué)教授彼得(Peter Bøggild)說(shuō)道：“石墨烯太不可思議了，我覺(jué)得它將在制造新型納米電子產(chǎn)品中發(fā)揮關(guān)鍵作用。但問(wèn)題在于，電氣性能設(shè)計(jì)起來(lái)相當(dāng)困難。”
位于丹麥技術(shù)大學(xué)和奧爾堡大學(xué)(Aalborg University)的納米結(jié)構(gòu)石墨烯中心(Center for Nanostructured Graphene)成立于2012年，該中心專門研究如何設(shè)計(jì)石墨烯的性質(zhì)，比如將石墨烯制備出非常精細(xì)的孔型結(jié)構(gòu)，這將微妙改變石墨烯中電子的量子性質(zhì)，從而使石墨烯的性質(zhì)得以調(diào)整。然而，丹麥技術(shù)大學(xué)和奧爾堡的研究團(tuán)隊(duì)也沒(méi)能免俗，同世界各地的其他研究人員一樣，他們經(jīng)歷了失敗。
彼得說(shuō)：“當(dāng)你在石墨烯這樣的材料上繪制圖案時(shí)，是為了以一種可控的方式改變其性質(zhì)以配合你的設(shè)計(jì)意圖。”然而，這些年的情況是，我們可以制備出這些孔，但同時(shí)也會(huì)引入大量無(wú)序和污染，使石墨烯不再具有石墨烯特有的性質(zhì)。就比如制造水管時(shí)，由于工藝粗糙，所以水管的流速很低。雖然從外表上看，水管可能看起來(lái)不錯(cuò)。但是對(duì)于電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這樣顯然會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性后果。”
不過(guò)現(xiàn)在，該科學(xué)家小組已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題。比亞克·耶森(Bjarke Jessen)和琳恩(Lene Gammelgaard)是丹麥技術(shù)大學(xué)物理系的博士后，他們首先將石墨烯封裝在另一種非導(dǎo)電二維材料六方氮化硼(hexagonal boron nitride)中。通常用六方氮化硼來(lái)保護(hù)石墨烯的性能。
接下來(lái)，他們使用電子束刻蝕這一技術(shù)，在氮化硼和石墨烯的保護(hù)層下面小心制備出一排致密的超小孔。這些孔的直徑約為20納米，兩孔間隔僅12納米。即使這樣，孔邊緣的粗糙度也小于1納米，也就是十億分之一米。在這樣小的石墨烯結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)在電流流量比之前報(bào)道過(guò)的大1000倍，也就是說(shuō)其導(dǎo)電能力提高了1000倍。
彼得說(shuō)道：“我們已經(jīng)證明，我們可以控制石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)出它的作用方式。”當(dāng)我們控制能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，我們就能獲得石墨烯的所有性質(zhì)——令我們驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)一些最細(xì)微的量子電子效應(yīng)在密集的小孔圖案下依然存在——這非常鼓舞人心。這項(xiàng)工作表明，我們可以坐在電腦前設(shè)計(jì)組件和設(shè)備或者創(chuàng)造全新的產(chǎn)品，然后去實(shí)驗(yàn)室在實(shí)踐中檢驗(yàn)它們。”
他繼續(xù)道：“納米結(jié)構(gòu)是開(kāi)發(fā)利用石墨烯電子學(xué)和光子學(xué)最令人興奮的特性的關(guān)鍵工具，但是許多科學(xué)家早就放棄了這種規(guī)模的石墨烯納米刻蝕技術(shù)，這令人倍感遺憾。現(xiàn)在我們已經(jīng)知道怎么做了，可以說(shuō)“詛咒”已經(jīng)解除了。前路漫漫，未來(lái)還有很多挑戰(zhàn)。但是現(xiàn)在我們可以改造石墨烯的特性，這說(shuō)明我們?cè)趧?chuàng)造尺寸極小的新電子產(chǎn)品的征途上邁出了一大步。”
