專題:與硅技術(shù)融合的石墨烯類材料及其器件研究

編者按碳是一種神奇的元素.除了大家熟知的鉆石,還可以呈現(xiàn)從零維(富勒烯)、一維(碳納米管)到二維(石墨烯)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu).這些結(jié)構(gòu)的核心是二維單層石墨片結(jié)構(gòu),對(duì)其基本電子態(tài)結(jié)構(gòu)的理論可以追溯到20世紀(jì)40年代(Wallace P R 1947Phys.Rev.71 622).單層石墨片或石墨烯的應(yīng)用也至少可以追溯到20世紀(jì)70年代.單層石墨片作為電鏡樣品的完美支撐膜,對(duì)20世紀(jì)七八十年代高分子電子顯微成像技術(shù)的發(fā)展也做出過巨大貢獻(xiàn).但單層石墨片被單獨(dú)作為一種材料,并開始廣泛影響物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科隨后十余年的發(fā)展則始于21世紀(jì)初,兩位俄裔英國(guó)學(xué)者Andre Geim和Konstantin Novoselov于2004年成功將單層石墨片分離到絕緣基底,并對(duì)其輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試,特別是在室溫觀察到量子霍爾效應(yīng),一舉獲得了2010年的諾貝爾物理獎(jiǎng).近十年,石墨烯研究已成為發(fā)展勢(shì)頭最為迅猛的領(lǐng)域,2012年以石墨烯為主題的論文發(fā)表數(shù)量首次超過一萬篇,2016年已達(dá)39373篇.在這迅猛發(fā)展的研究之后,是對(duì)石墨烯及相關(guān)材料在未來信息技術(shù)中所能起作用的巨大期盼.然而,本征的石墨烯材料沒有能隙,并不適合數(shù)字電路應(yīng)用.二維石墨烯類材料,例如半導(dǎo)體過渡金屬硫化物等應(yīng)運(yùn)而生,相關(guān)材料和器件研究也快速發(fā)展成為熱點(diǎn)研究領(lǐng)域.此外,雖然摩爾定律發(fā)展已經(jīng)接近其盡頭,但是硅基信息處理技術(shù)仍牢牢處于信息產(chǎn)業(yè)的霸主地位,結(jié)合硅基技術(shù)發(fā)展石墨烯類材料及其器件也順理成章地成為了未來該領(lǐng)域研究的主流和本專題的主題.

專題收錄了國(guó)內(nèi)高校和研究院所相關(guān)研究人員的共19篇研究論文和綜述,涉及到從石墨烯類材料的(1)生長(zhǎng)：金屬襯底上高質(zhì)量大面積石墨烯的插層及其機(jī)制(郭輝、路紅亮、黃立、王雪艷、林曉、王業(yè)亮、杜世萱、高鴻鈞);介電層表面直接生長(zhǎng)石墨烯的研究進(jìn)展(楊慧慧、高峰、戴明金、胡平安);雙層石墨烯的化學(xué)氣相沉積法制備及其光電器件(楊云暢、武斌、劉云圻);(2)結(jié)構(gòu)表征、加工與性能調(diào)控：鋸齒形石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)加工與輸運(yùn)性質(zhì)研究(張婷婷、成蒙、楊蓉、張廣宇);石墨烯納米結(jié)構(gòu)的制備及帶隙調(diào)控研究(張慧珍、李金濤、呂文剛、楊海方、唐成春、顧長(zhǎng)志、李俊杰);二維原子晶體的低電壓掃描透射電子顯微學(xué)研究(黎棟棟、周武);硼烯和堿土金屬硼化物二維納米材料的制備、結(jié)構(gòu)、物性及應(yīng)用研究(郭澤堃、田顏、甘海波、黎子娟、張彤、許寧生、陳軍、陳煥君、鄧少芝、劉飛);石墨烯納米帶的制備與電學(xué)特性調(diào)控(張輝、蔡曉明、郝振亮、阮子林、盧建臣、蔡金明);(3)輸運(yùn)：多端口石墨烯系統(tǒng)中的非局域電阻(王孜博、江華、謝心澄);到(4)類石墨烯：類石墨烯鍺烯研究進(jìn)展(秦志輝);硅烯的化學(xué)功能化(楊碩、程鵬、陳嵐、吳克輝);(5)器件：基于雙極性二維晶體的新型p-n結(jié)(張?jiān)鲂?、李東);基于六角氮化硼二維薄膜的憶阻器(吳全潭、時(shí)拓、趙曉龍、張續(xù)猛、伍法才、曹榮榮、龍世兵、呂杭炳、劉琦、劉明);基于毫米級(jí)單晶石墨烯的倍頻器性能研究(高慶國(guó)、田猛串、李思超、李學(xué)飛、吳燕慶);硅基底石墨烯器件的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)(武佩、胡瀟、張健、孫連峰);石墨烯射頻器件研究進(jìn)展(盧琪、呂宏鳴、伍曉明、吳華強(qiáng)、錢鶴);二維半導(dǎo)體過渡金屬硫化物的邏輯集成器件(李衛(wèi)勝、周健、王瀚宸、汪樹賢、于志浩、黎松林、施毅、王欣然);和(6)硅基混合系統(tǒng)：石墨烯-硅基混合光子集成電路(肖廷輝、于洋、李志遠(yuǎn));高性能石墨烯霍爾傳感器(黃樂、張志勇、彭練矛).專題覆蓋了石墨烯類材料及其器件所涉及的幾乎所有方面,是本領(lǐng)域不可多得的珍貴參考資料.相信專題的發(fā)表能夠進(jìn)一步促進(jìn)這個(gè)重要的研究領(lǐng)域的發(fā)展,促生相關(guān)產(chǎn)業(yè)的誕生.

(客座編輯:中國(guó)科學(xué)院物理研究所 高鴻鈞;北京大學(xué) 彭練矛;中國(guó)科學(xué)院物理研究所 顧長(zhǎng)志)