东北大学等使用三维纳米多孔石墨烯制作晶体管

2016-10-170阅读0

  东北大学2016年10月12日宣布与东京大学等合作,制作出了使用三维纳米多孔石墨烯的电双层晶体管。石墨烯是由单层碳原子组成的二维片层,具有优秀的晶体管性能,但达到实用水平需要叠加几千张。此次通过使用多孔质三维石墨烯制作晶体管,电容量最多达到了二维石墨烯晶体管的1000倍。

  

三维纳米多孔石墨烯晶体管的模型图

  (图:东北大学的发布资料)

  为了最大限度利用三维纳米多孔石墨烯的表面积,研究人员以不破坏纳米多孔质结构为前提,制作经过超临界CO2干燥的纳米多孔石墨烯,作为了晶体管的传导路径(沟道)和作用(栅极)电极。然后使试样全部浸满由室温下稳定的阳离子和阴离子组成的液体(离子液体),制作出了在作用电极与沟道之间外加电场,沟道的电子浓度就会发生变化的电双层晶体管。

  

制作出的晶体管的图像和性能

  (a)三维纳米多孔石墨烯的扫描电子显微镜图像。(b)对石墨烯在栅电压下的电子状态进行调制的模式图。(c、d)电导率及静电容量对于栅电压的依赖性(图:东北大学的发布资料)

  从三维纳米多孔石墨烯晶体管的行为中,研究人员观测到了利用狄拉克电子的场效应晶体管的特点,即电导率极小、传导载流子从电子型向空穴型反转的现象。这表明二维石墨烯片的特性得到了很好地保留。检测到的静电容量非常高,约是以往使用二维石墨烯片的平面结构元件的100~1000倍。这表明高度集成的石墨烯片可以作为一个整体,控制电子状态。

  而且,通过结合三维纳米多孔质结构的特点进行理论推导,研究人员发现,在不同电子浓度状态下测定的磁阻效应与霍尔电阻均由1条曲线表示。这表示“封闭在曲面上的传导电子对于外加磁场的方向,具有许多不同的指向”,是三维纳米多孔石墨烯所特有的行为。表明本次开发的晶体管的电子移动度远远高于所需要的性能,即200cm2/Vs,达到了5000~7500cm2/Vs。

  本次研究证实,使用三维纳米多孔石墨烯的晶体管通过利用纳米多孔质结构,可以通过电场,控制高度集成的大面积二维原子层的电子密度。在今后,使用石墨烯和二硫化钼、利用原子层的感光元件,以及高度集成的立体电路的实用化有望取得进展。与此同时,在使用石墨烯和其他原子层材料的“三维纳米多孔质结构”领域,也有望诞生出新的材料。

  本次研究得到了日本科学技术振兴机构(JST)战略性创造研究推进事业CREST“实现能源高效率的相界面科学”研究领域、日本文部科学省新学术领域研究“原子层科学”、日本世界顶级国际研究中心计划(WPI)的支援。研究成果已刊登在德国科学杂志《Advanced Materials》的2016年10月11日网络版上。(特约撰稿人:工藤宗介)

  (全文完)