示意图展示了石墨烯层是如何防水的。沿着拓扑绝缘体独立边缘流动的电流完全不受外部影响。来源:J?rg Bandmann, pixelwg
研究人员已经开发出一种具有开创性的独立保护涂层，这是一种有望用于超快电子产品的量子材料，使其能够在空气中使用而不氧化。这种创新可能会带来革命性的变化展望原子层电子学的未来。
制造速度越来越快、功能越来越强的计算机芯片的竞赛仍在继续，晶体管是计算机芯片的基本组成部分，它们的尺寸越来越小、越来越紧凑。几年后，这些晶体管的尺寸将只有几个原子那么大——到那时，目前使用的硅技术的小型化将达到其物理极限。因此，寻找具有全新性能的替代材料对未来的技术进步至关重要。
早在2021年，来自卓越集群的科学家们。JMU w
茨堡大学和德累斯顿工业大学在量子物质的复杂性和拓扑结构方面取得了重大发现:拓扑量子材料，如独立，在超快、节能电子领域具有很大的前景。由此产生的极薄量子半导体由单个原子层(在独立的情况下，是铟原子)组成，充当拓扑绝缘体，在其边缘几乎没有电阻地导电。
“生产这样的单原子层需要复杂的真空设备和特定的衬底材料。为了在电子元件中利用这种二维材料，需要将其从真空环境中移除。然而，暴露在空气中，即使是短暂的，也会导致氧化，破坏其革命性的特性，使其无用，”实验物理学家拉尔夫·克莱森教授解释说。qmat的
rzburg发言人。
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rzburg团队现在已经成功地解决了这个问题。他们的研究结果发表在《自然通讯》杂志上。
实验图像的合并。在顶部，扫描隧道显微镜图像显示了石墨烯的蜂窝晶格(保护层)。在中心，电子显微镜显示了材料独立的一个三角形晶格的俯视图。下面是碳化硅衬底的侧视图。可以看出，独立烯和石墨烯都是由单个原子层组成的。来源:Jonas Erhardt/Christoph M?der)
寻找一种保护涂层
“我们花了两年时间寻找一种方法，使用保护涂层保护敏感的独立层免受环境因素的影响。我们面临的挑战是确保这种涂层不会与独立层相互作用，”克莱森参与该项目的博士生塞德里克·施密特解释说。这种相互作用是有问题的，因为当不同类型的原子——例如保护层和半导体——相遇时，它们会在原子水平上发生化学反应，改变材料。这对传统硅芯片来说不是问题，因为传统硅芯片包含多个原子层，有足够的原子层不受影响，因此仍然可以正常工作。
“由单原子层组成的半导体材料，如独立烯，通常会受到保护膜的损害。这是一个看似无法克服的挑战，激发了我们的研究好奇心。”克莱森说。为了寻找可行的保护层，他们探索了以荷兰物理学家约翰内斯·迪德里克·范德华斯(1837-1923)命名的范德华斯材料。Claessen解释说:“这些二维范德华原子层的特点是它们的原子之间有很强的内部键，而与衬底的键合很弱。这个概念类似于用石墨(一种碳原子呈蜂窝状排列的形式)制成的铅笔芯在纸上写字。石墨烯层可以很容易地分离。我们的目标是复制这一特征。”
成功!
使用复杂的超高真空设备，w
rzburg团队实验加热碳化硅(SiC)作为独立烯的衬底，探索从它形成石墨烯所需的条件。碳化硅由硅原子和碳原子组成。加热它会使碳原子从表面分离并形成石墨烯，”施密特在解释实验室过程时说。“然后，我们气相沉积铟原子，将其浸入保护石墨烯层和碳化硅衬底之间。这就是我们的二维量子材料独立的保护层是如何形成的。”
伞展开
在全球范围内，克莱森和他在麻省理工学院的团队第一次进行了研究。qmat的w
rzburg分支成功地为二维量子半导体材料制作了一个功能保护层，而不影响其非凡的量子特性。在分析了制造过程后，他们彻底测试了该层的抗氧化和腐蚀能力。“这工作!样本甚至可以暴露在水中而不受任何影响，”克莱森高兴地说。“石墨烯层就像雨伞一样保护着我们的独立性。”
走向原子层电子学
这一突破为涉及高灵敏度半导体原子层的应用铺平了道路。制造超薄电子元件需要在空气或其他化学环境中进行加工。多亏了这种保护机制的发现，这才成为可能。w
rzburg的研究小组现在专注于识别更多可以作为保护层的范德华材料，他们已经有了一些前景。问题在于，尽管石墨烯可以有效地保护原子单层免受环境因素的影响，但它的导电性会带来短路的风险。维尔茨堡大学的科学家们正在努力克服这些挑战，为未来的原子层电子学创造条件。
卓越集群
卓越集群qmat -量子物质的复杂性和拓扑结构自2019年以来一直由Julius-Maximilians-Universit?t (JMU) wrzburg和Technische Universit?t (TU) Dresden联合运行。来自30多个国家和四大洲的300多名科学家研究拓扑量子材料，这些材料在超低温、高压或强磁场等极端条件下揭示了令人惊讶的现象。ct。qmat由德国联邦和州政府的卓越战略资助，是德国唯一一个位于两个不同联邦州的卓越集群。
参考文献:“通过石墨烯嵌入实现原子薄量子自旋霍尔绝缘体的环境稳定性”，作者:Cedric Schmitt, Jonas Erhardt, Philipp Eck, Matthias Schmitt, Kyungchan Lee, Philipp Ke?ler, Tim Wagner, Merit Spring, Bing Liu, Stefan Enzner, Martin Kamp, Vedran Jovic, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick, Eli Rotenberg, Timur Kim, Cephise Cacho, Tien-Lin Lee, Giorgio Sangiovanni, Simon Moser和Ralph Claessen, 2024年2月19日，Nature Communications。DOI: 10.1038 / s41467 - 024 - 45816 - 9
