在过去的十年左右的时间里，半金属石墨烯因其许多有利的品质和特性而吸引了电子工程师的广泛兴趣。实际上，它的高电子迁移率，柔韧性和稳定性使其特别适合下一代电子产品的开发。
尽管具有有利的性能，但大面积石墨烯的带隙为零(即，固体材料中的能量范围，在该范围内不存在电子态)。这意味着不能完全切断石墨烯中的电流。该特性使其不适用于许多电子设备的开发。
清华大学的研究人员最近设计了一种设计策略，该策略可用于获得更大的石墨烯带隙。在《自然电子》上发表的一篇论文中介绍的这种策略需要使用电场来控制微尺度石墨烯中导体到绝缘体的转变。
“自2004年被发现以来，石墨烯由于其单原子层的厚度和高迁移率的狄拉克费米子而引起了极大的关注，”进行这项研究的研究人员之一张劲松告诉Tech Xplore。“由于这些特性，石墨烯可以在下一代电子产品中找到有前途的应用，特别是当硅基电子产品的密度和性能的提高速度通过尺寸缩放接近极限时。但是，大面积石墨烯是一种具有带隙为零。”
常规的基于石墨烯的场效应晶体管(FET)的开/关电流比在室温下约为30，这对于逻辑器件应用而言太低了。为了改变石墨烯的能带结构并扩展其带隙，Zhang和他的同事引发了氢化反应，这是一种电化学反应，可逆地将原始石墨烯转变为具有大传输间隙的高度绝缘的氢化石墨烯。
张说：“我们的电化学石墨烯FET可以在施加的栅极电压的控制下循环开/关，这为石墨烯基电子产品的未来应用展示了一条新的路线图。”
研究人员开发的电化学FET中的石墨烯通道被浸入具有离解氢离子(H +)的有机液体电解质中。当研究人员在栅电极(Pt箔)和石墨烯之间施加正栅电压(V G)时，电场使H +离子积聚在FET的顶面上。
“当V G高于加氢电位时，石墨烯晶格被高度活化，这触发了H +离子与C原子之间的化学键，从而将CC键的杂化从sp2改变为sp3，从而在其上打开了巨大的带隙。电子结构，”张解释说。
由这组研究人员开发的基于石墨烯的FET的主要优点是，它们使用高度通用的电场来控制可逆的氢化反应并切换漏源电流。此外，Zhang和他的同事介绍了一种新的氢离子电解质，该电解质包含更多的离解H +离子，与残留离子在离子液体或潮湿空气中水解产生的电解质相比，它们对石墨烯的反应性也更高。
张说：“通过使用电场控制，我们演示了微尺度石墨烯中导体-绝缘体的跃迁，其开关周期高达一百万次。” “的完全氢化的石墨烯200示出了GW / sq的下限的薄层电阻，从而导致巨大的开/关电流比大于10 8在室温下，石墨烯的FET。”
Zhang和他的同事发现，他们创建的电化学石墨烯FET明显优于过去制造的类似器件，并且具有更好的开/关比，循环寿命和开关时间。他们的工作可以为新的基于石墨烯的电子学和电场诱导的氢化技术的发展提供信息，以可逆地调节不同2D晶体的原子键和能带结构。
这项最新研究可能会启发其他研究人员使用类似的策略来寻找和识别具有理想特性的新材料。这些研究人员制造的基于石墨烯的FET的响应时间目前以微秒为单位。然而，在他们的下一个研究中，Zhang和他的同事们希望减少这种响应时间，以便他们的设备可以在更广泛的应用中使用。
“将来，我们将专注于通过优化器件配置来缩短响应时间，例如减少栅电极和源电极之间的距离，缩小石墨烯通道的宽度以及寻找具有更高H +离子电导率的更好的电解质，”张说。“为了使我们的设备在集成石墨烯电路中更有用，我们将开发具有高H +离子电导率的固体(或凝胶状)电解质，并最终将我们的设备尺寸缩小至微米。”
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