物理所實現(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)物理國家實驗室（籌）張廣宇研究組與高鴻鈞研究組、王恩哥研究組合作，利用自制的遠程電感耦合等離子體系統(tǒng)，成功實現(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)是我國科學家在該研究領域中*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格的二維晶體無法在有限的溫度下存在的科學預言，對凝聚態(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)出來的一系列*的電學輸運特性、光學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、微納米器件、超高速計算機芯片、高轉(zhuǎn)換效率電池、固態(tài)氣敏傳感器、太赫茲學等領域可能有重要的應用前景。
然而，由于石墨烯的導帶與價帶之間沒有能隙，做成晶體管器件時，很難實現(xiàn)開關(guān)特性，而且若要運用于現(xiàn)在普遍使用的邏輯電路，其金屬性也是一個巨大的難題。如何在石墨烯中引入能隙，成為人們關(guān)注的熱點問題，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） 利用對稱性破缺場或相互作用等使朗道能級發(fā)生劈裂，在導帶與價帶之間引入能隙。這主要通過摻雜、外加電場、化學勢場等方式在雙層石墨烯中引入對稱破缺，實現(xiàn)人工調(diào)制能隙。（2） 利用量子限域效應和邊緣效應，通過形成石墨烯納米結(jié)構(gòu)（如 nanoribbons納米帶）引入能隙，通過調(diào)節(jié)帶寬，可以實現(xiàn)對帶隙寬度的調(diào)節(jié)。（3） 利用化學氣相沉積法摻雜（如B、N等）產(chǎn)生能隙，通過調(diào)節(jié)摻雜程度可實現(xiàn)對能隙的調(diào)節(jié)。（4）利用基底作用誘導（如SiC基底上的外延石墨烯）產(chǎn)生能隙，通過調(diào)節(jié)基底的作用程度可實現(xiàn)對能隙的調(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)移機制，為未來這類樣品制作電子學器件提供了技術(shù)參考依據(jù)。
基于已有的實驗結(jié)果，大家一致認為這四種方法中zui可行、應用價值的當屬石墨烯的納米結(jié)構(gòu)。目前，石墨烯納米結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)和電學性能的研究都有飛速的發(fā)展，但要實現(xiàn)大規(guī)模集成石墨烯納米結(jié)構(gòu)器件的應用，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或利用SiO2襯底與石墨烯的選擇性反應來實現(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，且無法與傳統(tǒng)的微納加工技術(shù)兼容，從而無法實現(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)受等離子體強度和樣品溫度的調(diào)控，刻蝕速率可以控制在幾個nm/min，且不會引入新的缺陷。由于石墨烯特殊的六角對稱性，這種方法可以得到近原子級規(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)實現(xiàn)了對石墨烯納米結(jié)構(gòu)的加工和剪裁。這種技術(shù)的優(yōu)勢在于可以對石墨烯結(jié)構(gòu)進行原子級尺度加工和對于石墨烯質(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)所無法實現(xiàn)的，為未來大規(guī)模控制、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。
物理所實現(xiàn)基于石墨烯的各向異性刻蝕技術(shù)
