一種新方法可以設(shè)計(jì)精度低于10納米的納米材料。它可以為更快、更節(jié)能的電子產(chǎn)品鋪平道路。DTU和GrapheneFlagship研究人員將納米材料圖案化藝術(shù)提升到了一個(gè)新的水平。2D材料的精確圖案化是使用2D材料進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)的一種途徑，與當(dāng)今的技術(shù)相比，它可以提供更好的性能和更低的功耗。

最近物理學(xué)和材料技術(shù)領(lǐng)域最重要的發(fā)現(xiàn)之一是二維材料，如石墨烯。石墨烯比任何其他已知材料更堅(jiān)固、更光滑、更輕，并且在導(dǎo)熱和導(dǎo)電方面更好。

它們最獨(dú)特的功能可能是它們的可編程性。通過(guò)在這些材料中創(chuàng)造精致的圖案，我們可以顯著改變它們的特性，并可能準(zhǔn)確地制造出我們需要的東西。

在DTU，十多年來(lái)，科學(xué)家們?cè)?500m2潔凈室設(shè)施中使用先進(jìn)的光刻機(jī)，致力于改進(jìn)2D材料圖案化的最新技術(shù)。他們的工作基于DTU的納米結(jié)構(gòu)石墨烯中心，由丹麥國(guó)家研究基金會(huì)和石墨烯旗艦的一部分提供支持。

DTUNanolab中的電子束光刻系統(tǒng)可以將細(xì)節(jié)寫(xiě)到10納米。計(jì)算機(jī)計(jì)算可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)石墨烯中圖案的形狀和大小，以創(chuàng)造新型電子產(chǎn)品。它們可以利用電子的電荷和量子特性，例如自旋或谷自由度，從而以低得多的功耗進(jìn)行高速計(jì)算。然而，這些計(jì)算要求的分辨率比最好的光刻系統(tǒng)所能提供的分辨率更高：原子分辨率。

“如果我們真的想為未來(lái)的量子電子學(xué)打開(kāi)寶庫(kù)，我們需要在10納米以下并接近原子尺度，”DTU物理學(xué)教授兼組長(zhǎng)PeterBøggild說(shuō)。

而這正是研究人員成功做到的。

“我們?cè)?019年展示了僅12納米間距放置的圓孔將半金屬石墨烯變成半導(dǎo)體。現(xiàn)在我們知道如何創(chuàng)建圓孔和其他形狀，如三角形，具有納米尖角。這種圖案可以根據(jù)他們的自旋并創(chuàng)造自旋電子學(xué)或谷電子學(xué)的基本組件。該技術(shù)也適用于其他2D材料。通過(guò)這些超小型結(jié)構(gòu)，我們可以創(chuàng)建非常緊湊且電可調(diào)的超透鏡，用于高速通信和生物技術(shù)，“PeterBøggild解釋說(shuō)。

鋒利的三角形

該研究由博士后LeneGammelgaard領(lǐng)導(dǎo)，她于2013年畢業(yè)于DTU工程專業(yè)，此后在DTU2D材料的實(shí)驗(yàn)探索中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用：

“訣竅是將納米材料六邊形氮化硼放在您想要圖案化的材料頂部。然后您用特定的蝕刻配方鉆孔，”LeneGammelgaard說(shuō)，并繼續(xù)說(shuō)道：

“我們?cè)谶^(guò)去幾年開(kāi)發(fā)的蝕刻工藝將我們的電子束光刻系統(tǒng)的圖案尺寸縮小到大約10納米的牢不可破的極限之下。假設(shè)我們制作了一個(gè)直徑為20納米的圓孔;然后石墨烯中的孔可以縮小到10納米。而如果我們制作一個(gè)三角形孔，圓孔來(lái)自光刻系統(tǒng)，縮小尺寸會(huì)制作一個(gè)具有自銳角的較小三角形。通常，當(dāng)你把它們縮小時(shí)，圖案會(huì)變得更不完美。這是相反，這使我們能夠重建理論預(yù)測(cè)告訴我們最佳的結(jié)構(gòu)。”

例如，人們可以生產(chǎn)平面電子元透鏡——一種超緊湊的光學(xué)透鏡，可以在非常高的頻率下進(jìn)行電氣控制，據(jù)LeneGammelgaard稱，它可以成為未來(lái)通信技術(shù)和生物技術(shù)的重要組成部分。

突破極限

另一個(gè)關(guān)鍵人物是年輕的學(xué)生多特·丹尼爾森(DorteDanielsen)。她在2012年9年級(jí)實(shí)習(xí)后對(duì)納米物理學(xué)產(chǎn)生了興趣，在2014年全國(guó)高中生科學(xué)競(jìng)賽決賽中獲得一席之地，并在DTU精英學(xué)生榮譽(yù)計(jì)劃下攻讀物理和納米技術(shù)。

她解釋說(shuō)，“超分辨率”結(jié)構(gòu)背后的機(jī)制仍未得到很好的理解：

“對(duì)于這種意外的蝕刻行為，我們有幾種可能的解釋，但仍有很多我們不明白的地方。不過(guò)，這對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)令人興奮且非常有用的技術(shù)。同時(shí)，對(duì)于成千上萬(wàn)的研究人員來(lái)說(shuō)，這也是個(gè)好消息全世界都在推動(dòng)二維納米電子學(xué)和納米光子學(xué)的極限。”

在丹麥獨(dú)立研究基金的支持下，在METATUNE項(xiàng)目中，DorteDanielsen將繼續(xù)她對(duì)極其鋒利的納米結(jié)構(gòu)的研究。在這里，她幫助開(kāi)發(fā)的技術(shù)將用于創(chuàng)建和探索可以電調(diào)諧的光學(xué)超透鏡。

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