您目前正在閱讀本文的設(shè)備誕生于硅革命。為了構(gòu)建現(xiàn)代電路，研究人員通過摻雜來控制硅的電流傳導(dǎo)能力，這是一個(gè)在電子曾經(jīng)存在的地方引入帶負(fù)電的電子或帶正電的“空穴”的過程。這允許控制電流，對(duì)于硅而言，涉及將其他可以調(diào)節(jié)電子的原子元素(稱為摻雜劑)注入其三維 (3D) 原子晶格。

然而，硅的 3D 晶格對(duì)于下一代電子產(chǎn)品來說太大了，包括超薄晶體管、用于光通信的新設(shè)備以及可以佩戴或植入人體的柔性生物傳感器。為了縮小尺寸，研究人員正在試驗(yàn)厚度不超過單片原子的材料，例如石墨烯。但用于摻雜硅3D的嘗試和真實(shí)方法不與2D石墨烯，其由單一的工作層的碳原子數(shù)通常不傳導(dǎo)電流的。

研究人員沒有注入摻雜劑，而是嘗試在“電荷轉(zhuǎn)移層”上分層，以增加或拉出石墨烯中的電子。然而，以前的方法在其電荷轉(zhuǎn)移層中使用了“臟”材料。這些中的雜質(zhì)會(huì)使石墨烯摻雜不均勻并阻礙其導(dǎo)電能力。

現(xiàn)在，Nature Electronics 的一項(xiàng)新研究提出了一種更好的方法。由哥倫比亞大學(xué)的 James Hone 和 James Teherani 以及韓國成均館大學(xué)的 Won Jong Yoo 領(lǐng)導(dǎo)的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)描述了一種通過由低雜質(zhì)氧硒化鎢 (TOS) 制成的電荷轉(zhuǎn)移層摻雜石墨烯的清潔技術(shù).

該團(tuán)隊(duì)通過氧化另一種二維材料硒化鎢的單個(gè)原子層，生成了新的“清潔”層。當(dāng) TOS 層疊在石墨烯上時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)它使石墨烯上布滿了導(dǎo)電孔。通過在 TOS 和石墨烯之間添加一些硒化鎢原子層，可以對(duì)這些孔進(jìn)行微調(diào)，以更好地控制材料的導(dǎo)電性能。

研究人員發(fā)現(xiàn)，石墨烯的電遷移率，或者說電荷通過它的容易程度，在他們的新?lián)诫s方法中比以前的嘗試更高。添加硒化鎢間隔物進(jìn)一步增加了遷移率，使 TOS 的影響變得可以忽略不計(jì)，從而使遷移率由石墨烯本身的固有特性決定。這種高摻雜和高遷移率的結(jié)合使石墨烯具有比銅??和金等高導(dǎo)電金屬更高的導(dǎo)電性。

研究人員說，隨著摻雜石墨烯在導(dǎo)電方面變得更好，它也變得更加透明。這是由于泡利阻塞，一種通過摻雜操縱的電荷阻止材料吸收光的現(xiàn)象。在電信中使用的紅外波長(zhǎng)下，石墨烯的透明度超過 99%。實(shí)現(xiàn)高透明度和導(dǎo)電率對(duì)于通過基于光的光子設(shè)備傳輸信息至關(guān)重要。如果吸收太多光，信息就會(huì)丟失。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)摻雜 TOS 的石墨烯的損耗比其他導(dǎo)體的損耗小得多，這表明這種方法可能具有下一代超高效光子器件的潛力。

“這是一種按需定制石墨烯特性的新方法，”Hone 說。“我們才剛剛開始探索這種新技術(shù)的可能性。”

一個(gè)有希望的方向是通過改變 TOS 的圖案來改變石墨烯的電子和光學(xué)特性，并將電路直接壓印在石墨烯本身上。該團(tuán)隊(duì)還致力于將摻雜材料集成到新型光子器件中，在透明電子、電信系統(tǒng)和量子計(jì)算機(jī)中具有潛在應(yīng)用。