Credit: Li等人在过去的十几年中，半金属石墨烯由于其许多有利的品质和特性而引起了电子工程师的极大兴趣。在f act中，其高电子迁移率、灵活性和稳定性使其特别适合发展下一代电子产品。尽管具有有利的性质，大面积石墨烯具有零带隙(即固体材料中不存在电子态的能量范围)。这意味着石墨烯中的电流无法完全切断。这一特性使得它不适合许多电子设备的发展。
中国清华大学的研究人员最近设计了一种设计策略，可以用来获得更大的石墨烯带隙。发表在《自然电子》杂志上的一篇论文中介绍了这一策略，该策略需要使用电场来控制微米尺度石墨烯中导体到绝缘体的转变。
“自2004年发现以来，石墨烯因其单原子层厚度和高迁移率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，尤其是当硅基电子产品的密度和性能通过尺寸缩放接近极限时。然而，大面积石墨烯是一种带隙为零的半金属。”
常规石墨烯基场效应晶体管(FETs)的开/关电流比在室温下约为30，这对逻辑器件应用来说太低了。为了改变石墨烯的能带结构并扩展其带隙，张和他的同事引发了氢化反应，这是一种电化学反应，它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。
“我们的电化学石墨烯FETs可以在外加栅极电压的控制下循环开启/关闭，这为石墨烯基电子器件的未来应用展示了一个新的路线图，”张说。
研究人员开发的电化学场效应晶体管中的石墨烯通道被浸入具有游离氢离子(H+)的有机液体电解质中。当研究人员在栅电极(铂箔)和石墨烯之间施加正栅极电压(VG)时，电场导致H+离子聚集在场效应晶体管的顶面。
“当VG高于氢化势时，石墨烯晶格变得高度活化，这触发了H+离子和C原子之间的化学键，从而改变了C-C键从sp2到sp3的杂化，在电子结构中打开了一个巨大的带隙，”张解释道。
这组研究人员开发的石墨烯基场效应晶体管的主要优点是，它们使用高度通用的电场来控制可逆转的氢化反应并切换漏源电流。此外，张和他的同事介绍了一种新的氢离子电解质，它含有更多的游离H+离子，与离子液体或潮湿空气中残留水水解产生的电解质相比，这些离子对石墨烯的反应性更强。
“通过使用电场控制，我们展示了高达一百万个开关周期的微米级石墨烯中的导体-绝缘体转变，”张说。“完全氢化石墨烯的薄层电阻显示出200 GW/sq的下限，导致室温下石墨烯场效应晶体管的巨大开/关电流比大于108。”
张和他的同事发现，他们制造的电化学石墨烯场效应晶体管明显优于过去制造的类似器件，并且具有更好的开/关比、循环耐久性和开关时间。他们的工作可以为基于石墨烯的新电子技术和电场诱导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。
这项最近的研究可以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石墨烯基场效应晶体管的响应时间目前在微秒级。然而，在接下来的研究中，张和他的同事希望缩短这一响应时间，以便他们的设备可以在更广泛的应用中使用。
“未来，我们将重点通过优化器件配置来提高响应时间，比如减小栅源电极之间的距离、缩小石墨烯沟道的宽度，以及寻找H+离子电导率更高的更好的电解质等，”张说。“为了使我们的器件在石墨烯集成电路中更加有用，我们将开发具有高H+离子电导率的固体(或凝胶状)电解质，并最终将我们的器件尺寸缩小到几微米。”
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