哥倫比亞大學(xué)工程研究實驗首次證明，可以從只有原子厚度的薄二維材料的一維邊緣來進(jìn)行電接觸，而不是按照常規(guī)做法從其頂部接觸。有了這樣新的接觸架構(gòu)，研究人員已開發(fā)出一種新的層狀材料組裝工藝來防止接口污染。此外，使用石墨烯作為二維材料樣品表明，這兩種方法的結(jié)合會形成無污染石墨烯，該石墨烯目前尚未實現(xiàn)。

這項研究發(fā)表在2013年11月1日的《科學(xué)》雜志上。

電氣工程教授、該論文合著者Ken Shepard表示：“這是材料工程中一個令人興奮的新范式，與逐層增加的傳統(tǒng)方法相比，現(xiàn)在可以通過二維晶體的機(jī)械組裝來制造混合材料。從來沒有人能夠成功地實現(xiàn)像石墨烯這樣的二維材料的純邊緣接觸工藝。”

他補(bǔ)充道：“早期的研究主要關(guān)注于如何通過其他工藝如添加摻雜劑等來改善‘頂部接觸’。然而，新的邊緣接觸工藝比傳統(tǒng)方法提供了更有效的接觸，而無需進(jìn)一步復(fù)雜的加工處理。這讓我們研究設(shè)備應(yīng)用和探索基礎(chǔ)物理有了更多的可能性。”

2004年首次剝離出石墨烯，它是可供研究的最好的二維材料，并已經(jīng)成為數(shù)以千計的論文主題來研究其電氣性能及設(shè)備應(yīng)用。機(jī)械工程教授、也是該研究的合著者James Hone表示：“石墨烯接觸污染物時，其性能會降低。這表明污染問題與電接觸是緊密聯(lián)系的。任何高性能的電子材料必須密封在絕緣體中以保護(hù)其不受環(huán)境的影響。石墨烯缺乏平面結(jié)合的能力，這使得表面的電接觸變得十分困難，但這也防止其粘合到氧化物等常規(guī)三維絕緣體上。相反，通過使用二維絕緣體可獲得最好的結(jié)果，而無需在其表面粘合。直到現(xiàn)在我們才找到了一種方法來對完全密封的石墨片進(jìn)行電接觸。”

哥倫比亞大學(xué)博士后、該研究的領(lǐng)導(dǎo)者Cory Dean表示：“在這項工作中，我們團(tuán)隊同時解決了接觸和污染的問題。二維材料最大資本之一的石墨烯只有一個原子的厚度，我們可以直接進(jìn)入其電子結(jié)構(gòu)。同時，這也可能成為它最差的特性之一，因為這使得它對環(huán)境極為敏感。任何外界的污染可以迅速降低其性能。保護(hù)石墨烯免受擾亂、同時還允許電接觸的這種需要已經(jīng)成為阻礙石墨烯技術(shù)發(fā)展的最大障礙。通過僅從石墨烯的一維邊緣進(jìn)行接觸，我們已開發(fā)出一種重要的全新方式來連接我們的三維世界和這個迷人的二維世界，并且無需干擾其固有特性。這幾乎消除了外界污染，最終允許石墨烯在電子設(shè)備中發(fā)揮其真正潛力。

研究人員采用一種新技術(shù)將二維石墨烯層完全密封在一個薄的絕緣氮化硼晶體的夾層結(jié)構(gòu)中，并且將這些晶體層一個接一個地堆疊在里面。Dean解釋道：“我們組裝這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法完全消除層與層之間的任何污染，這可以通過橫切設(shè)備并觀察其在原子分辨率的透射電子顯微鏡成像來證實。”

一旦他們創(chuàng)建了堆棧，石墨烯的邊緣就會暴露蝕刻，然后將金屬蒸發(fā)到邊緣來建立電接觸。 通過沿邊緣進(jìn)行電接觸，該團(tuán)隊實現(xiàn)了在二維有源層和三維金屬電極之間的一維接觸。此外，盡管電子僅從石墨片的一維原子邊緣進(jìn)入，但接觸電阻是相當(dāng)?shù)偷模傻竭_(dá)每微米100 Ohms的接觸寬度，這比石墨烯頂面接觸可實現(xiàn)的值更小。

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