人工グラフェンは最高レベルのナノファブリケーションを再定義します

今世紀の初めに、グラフェンの発見は物理学のコミュニティに大きな影響を与えました。実世界に登場した最初の二次元素材として、それはすぐに科学者の最愛の人になりました。しかし、天然物質として、グラフェンには固定された原子配列が1つしかないため、グラフェンに関するすべての実験はこれらの制約に適応する必要があります。しかし、最近、コロンビア大学の専門家は、この問題を完全に解決する、より高性能な半導体「人工グラフェン」デバイスを作成しました。

グラフェンの炭素原子のユニークな配置は、従来の材料では観察するのが難しい新しい量子現象をテストするためのプラットフォームを提供します。その異常な電子特性により、その電子は散乱する前に長距離を移動することができ、グラフェンは優れた導体です。これらの特性は、電子が光速に近いように見える他のユニークな特性も示しています。粒子のように、それは非相対論的電子が持っていない特異な性質を持っています。ただし、グラフェン格子内の原子の位置は固定されています。対照的に、人工グラフェンの格子の間隔と構成は、大きな間隔で自由に設定できます。この強力な汎用性により、人工グラフェンは物性物理学の研究者の目には宝物になります。

この研究は、ナノスケールのマテリアルハンドリングを専門とするコロンビア大学の工学部の専門家によって主導されました。チームは、プリンストン大学、パデュー大学、イタリア科学技術大学の同僚とのコラボレーションを通じて、半導体デバイスのグラフェンの電子構造を初めて再設計しました。このようにして、新しいタイプの「人工グラフェン」が製造されました。

図|エッチングピラーは、六角形の格子配列の量子ドット（赤いピット）の位置を指します。量子ドット間の間隔が十分に小さい場合、電子はそれらの間を移動できます。 （出典：Diego Scarabelli /コロンビア大学工学部）

コロンビア大学工学部の応用物理学および物理学の教授であるAronPinczukは、次のように述べています。「このマイルストーンは、最高レベルの物性物理学とナノファブリケーションを再定義しました。人工グラフェンは、分子などの他のシステムの光学系に適用されていますがこれらのプラットフォームは、半導体処理技術が提供できる汎用性を欠いています。半導体人工グラフェンデバイスは、新しい電子スイッチ、高性能トランジスタ、さらには量子状態情報ストレージの新しい方法を探索するためのプラットフォームになる可能性があります。

応用物理学と応用数学部門の共著者であるShalomWindは、次のように述べています。「これは急速に成長している研究分野です。以前は達成できなかった多くの新しい現象が発見されました。電気制御の使用を模索し続けています。新しいデバイスを備えた人工グラフェンにより、オプトエレクトロニクスとデータ処理の分野でグラフェンの可能性をさらに広げることができます。」

「この研究は実際には人工グラフェン技術の大きな進歩です。以前の理論では、グラフェンベースの電子システムは手動で作成され、グラフィカルな2D電子ガスで調整されると予測されていました。しかし、これまでコロンビア大学の研究では、これらの機能をうまく観察した人は誰もいませんでした。工学的半導体ナノ構造の分野で」と語った。カリフォルニア大学バークレー校の物理学教授であるスティーブン・G・ルーイ氏は語った。 「以前の分子、原子、およびフォトニック構造の実験では、汎用性と安定性が低いシステムしか表現できませんでした。このナノ半導体構造は、新しい科学とその実用化を探求するための新しい機会を提供します。

研究者は、従来のチップ技術のツールを使用して、標準的なガリウムヒ素半導体で人工グラフェンを開発しています。彼らは、電子が非常に狭い層内でのみ移動できるように層状構造を設計し、効果的に2D平面を作成しました。彼らは、ナノリソグラフィーとエッチングを使用してガリウム砒素を特性評価しました。特性評価後、ガリウム砒素は、電子を横方向に閉じ込める六角形の格子を生成しました。これらのいわゆる「人工原子」を互いに十分に近く（約50ナノメートル離して）配置することにより、これらの人工原子は、原子が固体内で電子を共有するのと同じように、量子力学的方法で相互作用できます。

ナノリソグラフィーとエッチングは小さな柱を形成し、その下の量子ドットは六角形の格子に配置されます。下部の電子顕微鏡写真をスキャンすると、上部からわずか50ナノメートルの周囲長を持つ六角形の配列が表示されます。 （出典：Diego Scarabelli / Columbia Engineering）

このグループは、レーザーを照射して人工格子の電子状態を検出し、散乱光を測定します。散乱光は、電子がある状態から別の状態に遷移するときに失われるエネルギーを示すことができます。彼らがこれらの状態遷移をマッピングしたとき、チームは、電子密度が消えるグラフェンの特性である「ディラック点」に近い線形でゼロに近づいていることを発見しました。

この人工グラフェンには、天然グラフェンに比べて多くの利点があります。たとえば、研究者は細胞格子を調整することで電子的挙動を調整できます。また、量子ドット間の間隔は天然グラフェンの原子の間隔よりもはるかに大きいため、研究者は磁場の作用下でよりエキゾチックな量子現象を観察できます。

グラフェンやその他の新しい低次元材料（超薄層ファンデルワールスフィルムなど）の発見が、この研究の基礎を築きました。 Pinczuk氏は次のように指摘しました。「ナノファブリケーション技術のこれまでの進歩は、この研究にとって重要です。これらの以前の研究は、無数のナノスケールスケールで高品質のパターンを表現するために使用できる拡大し続ける「ツールボックス」を提供してくれました。この発見がこの分野の物理学者に刺激を与えたと言ってください。」

2010年のノーベル物理学賞は、グラフェンを人々の注目を集めました。グラフェンは発見以来、注目を集め、継続的に開発されてきましたが、現在の研究開発では多くの課題に直面していますが、これらの課題は今後の研究の肥沃な地でもあります。 20世紀がシリコンの世紀であるとすれば、グラフェンは21世紀に新しい物質の時代を生み出し、それは世界に大きな変化をもたらすでしょう。グラフェンとその関連技術の未来は明るいと信じています。

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