物理所實(shí)現(xiàn)基于石墨烯的各向異性刻蝕技術(shù)
zui近，*物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）張廣宇研究組與高鴻鈞研究組、王恩哥研究組合作，利用自制的遠(yuǎn)程電感耦合等離子體系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了石墨烯的可控各向異性刻蝕。這種基于石墨烯的各向異性刻蝕技術(shù)是我國(guó)科學(xué)家在該研究領(lǐng)域中*特色的工作.
石墨烯（graphene），是繼富勒烯、碳納米管之后被科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的又一種新的碳元素結(jié)構(gòu)形態(tài)。作為一種室溫下穩(wěn)定存在的二維量子體系，石墨烯打破了凝聚態(tài)物理的理論，*了人們以前普遍接受的嚴(yán)格的二維晶體無(wú)法在有限的溫度下存在的科學(xué)預(yù)言，對(duì)凝聚態(tài)物理的發(fā)展產(chǎn)生了重大的影響。不僅如此，石墨烯表現(xiàn)出來(lái)的一系列*的電學(xué)輸運(yùn)特性、光學(xué)耦合和其他新奇的物理特性，以及利于剪裁加工的二維特性，使其在分子電子學(xué)、微納米器件、超高速計(jì)算機(jī)芯片、高轉(zhuǎn)換效率電池、固態(tài)氣敏傳感器、太赫茲學(xué)等領(lǐng)域可能有重要的應(yīng)用前景。
然而，由于石墨烯的導(dǎo)帶與價(jià)帶之間沒(méi)有能隙，做成晶體管器件時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)特性，而且若要運(yùn)用于現(xiàn)在普遍使用的邏輯電路，其金屬性也是一個(gè)巨大的難題。如何在石墨烯中引入能隙，成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，這也為石墨烯的制備提出了新的挑戰(zhàn)。一般引入能隙的手段主要有：（1） 利用對(duì)稱性破缺場(chǎng)或相互作用等使朗道能級(jí)發(fā)生劈裂，在導(dǎo)帶與價(jià)帶之間引入能隙。這主要通過(guò)摻雜、外加電場(chǎng)、化學(xué)勢(shì)場(chǎng)等方式在雙層石墨烯中引入對(duì)稱破缺，實(shí)現(xiàn)人工調(diào)制能隙。（2） 利用量子限域效應(yīng)和邊緣效應(yīng)，通過(guò)形成石墨烯納米結(jié)構(gòu)（如 nanoribbons納米帶）引入能隙，通過(guò)調(diào)節(jié)帶寬，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)帶隙寬度的調(diào)節(jié)。（3） 利用化學(xué)氣相沉積法摻雜（如B、N等）產(chǎn)生能隙，通過(guò)調(diào)節(jié)摻雜程度可實(shí)現(xiàn)對(duì)能隙的調(diào)節(jié)。（4）利用基底作用誘導(dǎo)（如SiC基底上的外延石墨烯）產(chǎn)生能隙，通過(guò)調(diào)節(jié)基底的作用程度可實(shí)現(xiàn)對(duì)能隙的調(diào)節(jié)。此前，張廣宇研究組與高鴻鈞研究組和陳小龍研究組合作，利用拉曼光譜學(xué)的手段，系統(tǒng)地研究了外延石墨烯與碳化硅基底之間的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，為未來(lái)這類樣品制作電子學(xué)器件提供了技術(shù)參考依據(jù)。
基于已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，大家一致認(rèn)為這四種方法中zui可行、應(yīng)用價(jià)值的當(dāng)屬石墨烯的納米結(jié)構(gòu)。目前，石墨烯納米結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)和電學(xué)性能的研究都有飛速的發(fā)展，但要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成石墨烯納米結(jié)構(gòu)器件的應(yīng)用，如何利用現(xiàn)有的微納加工技術(shù)獲得邊緣可控的石墨烯納米結(jié)構(gòu)是亟待解決的難題。雖然上已有少數(shù)研究組利用金屬粒子催化加氫反應(yīng)或利用SiO2襯底與石墨烯的選擇性反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)石墨烯選擇性的各向異性刻蝕，但這些方法的刻蝕速率不可控，刻蝕取向不確定，且無(wú)法與傳統(tǒng)的微納加工技術(shù)兼容，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)石墨烯納米結(jié)構(gòu)器件的集成加工。
張廣宇等人此次實(shí)現(xiàn)的這種基于氫等離子體的干法刻蝕技術(shù)受等離子體強(qiáng)度和樣品溫度的調(diào)控，刻蝕速率可以控制在幾個(gè)nm/min，且不會(huì)引入新的缺陷。由于石墨烯特殊的六角對(duì)稱性，這種方法可以得到近原子級(jí)規(guī)則的Zigzag邊緣結(jié)構(gòu)。他們還利用這種干法刻蝕技術(shù)結(jié)合電子束光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)石墨烯納米結(jié)構(gòu)的加工和剪裁。這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可以對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)進(jìn)行原子級(jí)尺度加工和對(duì)于石墨烯質(zhì)量的保持性。這種可以沿固定晶向，得到固定的邊緣結(jié)構(gòu)的加工剪裁石墨烯的技術(shù)是傳統(tǒng)技術(shù)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，為未來(lái)大規(guī)?？刂?、加工具有確定晶向和邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米結(jié)構(gòu)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
物理所實(shí)現(xiàn)基于石墨烯的各向異性刻蝕技術(shù)
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