中科院成功合成新型“石墨烯”：彌補石墨烯缺憾

來源：快科技 發(fā)布時間：2021-11-02瀏覽：3437次

在今年8月召開的“全球IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會）國際芯片導(dǎo)線技術(shù)會議”上，IMEC（歐洲微電子研究中心）提出了四種延續(xù)摩爾定律、打破2nm芯片物理極限的方法。

這幾種方法無一不是建立在了使用“石墨烯材料”的基礎(chǔ)之上。經(jīng)過討論，專家組最終達成一致，將石墨烯定位下一代新型半導(dǎo)體材料，將碳基芯片定義為下一個芯片時代的主流。

以石墨烯為代表的碳基二維材料自發(fā)現(xiàn)以來受到了廣泛關(guān)注。然而，石墨烯的零帶隙半導(dǎo)體性質(zhì)嚴(yán)重限制了其在微電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用。

針對該情況，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究人員等自2013年開展新型碳基二維半導(dǎo)體材料的制備研究，2014年1月成功制備了由碳和氮原子構(gòu)成的類石墨烯蜂窩狀無孔有序結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體C3N單層材料，并發(fā)現(xiàn)該材料在電子注入后產(chǎn)生的鐵磁長程序。

C3N晶格結(jié)構(gòu)及氫化后鐵磁長程序

從結(jié)構(gòu)圖可以看出原本C原子構(gòu)成的六邊形全部被N原子分隔開。C3N的成功合成彌補了石墨烯無帶隙的缺憾，為碳基納米材料在微電子器件的應(yīng)用提供了新的選擇，并引起廣泛關(guān)注。

研究人員于2016年初步實現(xiàn)AA'及AB'堆垛雙層C3N的制備。在此基礎(chǔ)上，他們與華東師范大學(xué)研究員袁清紅團隊通過近5年努力，借助實驗技術(shù)與理論研究，在雙層C3N的帶隙性質(zhì)、輸運性質(zhì)等研究領(lǐng)域取得突破，進一步證明雙層C3N在納米電子學(xué)等領(lǐng)域的重要應(yīng)用潛力。

該工作證明了通過控制堆垛方式實現(xiàn)雙層C3N從半導(dǎo)體到金屬性轉(zhuǎn)變的可行性。

與本征帶隙為1.23 eV的單層C3N相比，雙層C3N的帶隙大致可以分為三種：接近金屬性的AA和AA'堆垛、帶隙比單層減少將近30%的AB和AB'堆垛、與單層帶隙相近的雙層摩爾堆垛。

AA'（a-c）及AB'（d-f）堆垛雙層C3N的HAADF-STEM圖像

上述工作是C3N材料實驗與理論研究的重要突破，為進一步構(gòu)建新型全碳微電子器件提供了支撐。

然而，相比于目前研究已經(jīng)比較成熟的石墨烯，C3N的研究起步較晚，該材料的基本物性研究仍有大量空白有待填補。