由互连的石墨烯纳米带（黑色原子）组成的电子电路的概念图，该石墨烯纳米带在碳化硅（黄色原子）中蚀刻的台阶上外延生长。电子（蓝色）沿带子弹道移动，然后通过金属触点从一个带子移动到下一个带子。电子流由静电门调制。（图片由John Hankinson提供）
佐治亚理工学院最新发布的一项研究表明，石墨烯纳米带中的弹道运输可能会导致一类新的相干电子设备。
使用更像光子的电子可以为新型电子设备奠定基础，这种电子设备将利用石墨烯的能力来携带电子，即使在室温下也几乎没有电阻，这种特性被称为弹道传输。
本周的研究表明，外延石墨烯纳米带中的电阻遵循量子力学原理以不连续的步骤变化。研究表明，石墨烯纳米带的作用更像光波导或量子点，使电子能够沿着材料的边缘顺畅地流动。在诸如铜的普通导体中，随着电子在穿过导体时遇到越来越多的杂质，电阻与长度成比例地增加。
类似于圆柱形碳纳米管中观察到的那样，其弹道传输性能超出了石墨烯的理论电导预测值的10倍。该性能是在约40纳米宽的石墨烯纳米带中测量的，该碳带生长在蚀刻的三维结构的边缘上进入碳化硅晶片。
佐治亚理工学院物理学院摄政教授沃尔特·德·海尔（Walt de Heer）表示：“这项工作表明，我们可以用非常不同的方式控制石墨烯电子，因为它们的性能确实非常出色。” “这可能会导致基于石墨烯中室温弹道传输的新型相干电子设备。这样的设备将与我们今天用硅制造的设备完全不同。”
该研究得到了美国国家科学基金会，空军科学研究所和WM Keck基金会的支持，于2月5日在《自然》杂志上进行了报道。这项研究是由美国佐治亚理工学院，德国汉诺威莱布尼兹大学，德国国家科学研究中心（CNRS）和美国能源部支持的橡树岭国家实验室的科学家合作完成的。美国。
近十年来，研究人员一直在尝试利用石墨烯的独特特性来制造工作起来与现有硅半导体芯片非常相似的电子设备。但是这些努力取得了有限的成功，因为石墨烯（一种碳原子的晶格，可以制造到只有一层的厚度），很难通过这种设备需要的电子带隙来获得。
德赫尔认为，研究人员应该停止尝试使用像硅这样的石墨烯，而应使用其独特的电子传输特性来设计新型的电子设备，这些设备可以基于一种新的切换方法进行超快速计算。石墨烯纳米带中的电子可以移动数十或数百微米而不会发生散射。
de Heer说：“这种恒定的电阻与物理学的基本常数之一-电导量子有关。” “该通道的电阻不依赖于温度，也不依赖于通过它的电流量。”
但是，真正破坏电子流动的是使用电探针测量电阻。测量结果表明，用单个探针接触纳米带会使电阻加倍。用两个探针触摸它会使电阻增加三倍。
“电子撞击探针并散射，” de Heer解释说。“这很像一条溪流，水流很好，直到您把石头挡住为止。我们已经进行了系统的研究，表明当您用探针触摸纳米带时，您会引入一种使电子散射的方法，从而改变了电阻。”
纳米带在硅碳晶片上外延生长，已使用标准微电子制造技术将图案蚀刻到其中。当将晶片加热到大约1000 摄氏度时，优先沿边缘驱除硅，形成石墨烯纳米带，其结构由三维表面的图案决定。纳米带一旦生长，就无需进一步处理。
以这种方式制造石墨烯纳米带的优点在于，它可以产生完全光滑的边缘，并通过制造过程进行退火。光滑的边缘使电子流经纳米带而不会破裂。如果使用传统的蚀刻技术从石墨烯片上切割纳米带，则产生的边缘太粗糙而无法进行弹道运输。
“似乎电流主要在边缘流动，” de Heer说。“纳米带的主体部分还有其他电子，但它们不与在边缘流动的电子相互作用。”
边缘电子更像光纤中的光子一样流动，从而有助于避免散射。他说：“这些电子的行为实际上更像光。” “就像光通过光纤一样。由于光纤的制造方式，光传输时不会发生散射。”
研究人员测量了石墨烯纳米带中高达16微米的弹道电导。电子迁移率测量值超过一百万，对应的薄层电阻为每平方一个欧姆，比二维石墨烯所观察到的薄层电阻低两个数量级，比石墨烯的最佳理论预测小十倍。
“这将为制造电子产品提供一种新的方式，” de Heer说。“我们已经能够操纵这些电子，并且我们可以使用基本手段来切换它们。我们可以设置一个障碍，然后再次打开它。这种材料的新型开关现在已经出现。”
研究人员所测量的理论解释还不完整。De Heer推测，石墨烯纳米带可能正在产生一种新型的电子传输，类似于超导体中观察到的那样。
他补充说：“要理解我们所看到的，需要做很多基础物理学。” “我们认为这表明，新型石墨烯电子产品确实存在可能性。”
佐治亚理工学院的研究人员自2001年以来就率先开发了基于石墨烯的电子产品，并于2003年获得了该专利的专利。该技术涉及将图案蚀刻到电子级的碳化硅晶片中，然后加热晶片以驱除硅，留下石墨烯的图案。
除德赫尔外，该论文的作者还包括德国汉诺威莱布尼兹大学的InstitutfürFestk rperphysik的Jens Baringhaus，Frederik Edler和Christoph Tegenkamp。乔治亚理工学院物理学院的Edward Conrad，Ming Ruan和Zhizhigang；法国佐治亚理工学院的克莱尔·伯格和法国国家科学研究中心（CNRS）的内尔研究所的克莱尔·伯格；法国国家科学研究中心（CNRS）的南锡大学让·拉穆尔研究所的Antonio Tejeda和Muriel Sicot；橡树岭国家实验室纳米相材料科学中心的李安平和法国CNRS同步加速器SOLEIL的Amina Taleb-Ibrahimi。
这项研究得到了佐治亚理工学院国家科学基金会（NSF）材料研究科学与工程中心（MRSEC）的支持，获得了DMR-0820382奖；空军科学研究所（AFOSR）；美国能源部基础能源科学办公室科学用户设施部以及法国大使馆的合作伙伴大学基金。任何结论或建议都是作者的结论，不一定代表NSF，DOE或AFOSR的官方观点。