東北大學(xué)2016年10月12日宣布與東京大學(xué)等合作，制作出了使用三維納米多孔石墨烯的電雙層晶體管。石墨烯是由單層碳原子組成的二維片層，具有優(yōu)秀的晶體管性能，但達(dá)到實(shí)用水平需要疊加幾千張。此次通過使用多孔質(zhì)三維石墨烯制作晶體管，電容量最多達(dá)到了二維石墨烯晶體管的1000倍。
　　為了最大限度利用三維納米多孔石墨烯的表面積，研究人員以不破壞納米多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)為前提，制作經(jīng)過超臨界CO2干燥的納米多孔石墨烯，作為了晶體管的傳導(dǎo)路徑（溝道）和作用（柵極）電極。然后使試樣全部浸滿由室溫下穩(wěn)定的陽離子和陰離子組成的液體（離子液體），制作出了在作用電極與溝道之間外加電場，溝道的電子濃度就會(huì)發(fā)生變化的電雙層晶體管。
　　從三維納米多孔石墨烯晶體管的行為中，研究人員觀測到了利用狄拉克電子的場效應(yīng)晶體管的特點(diǎn)，即電導(dǎo)率極小、傳導(dǎo)載流子從電子型向空穴型反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。這表明二維石墨烯片的特性得到了很好地保留。檢測到的靜電容量非常高，約是以往使用二維石墨烯片的平面結(jié)構(gòu)元件的100～1000倍。這表明高度集成的石墨烯片可以作為一個(gè)整體，控制電子狀態(tài)。
　　而且，通過結(jié)合三維納米多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行理論推導(dǎo)，研究人員發(fā)現(xiàn)，在不同電子濃度狀態(tài)下測定的磁阻效應(yīng)與霍爾電阻均由1條曲線表示。這表示“封閉在曲面上的傳導(dǎo)電子對于外加磁場的方向，具有許多不同的指向”，是三維納米多孔石墨烯所特有的行為。表明本次開發(fā)的晶體管的電子移動(dòng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于所需要的性能，即200cm2/Vs，達(dá)到了5000～7500cm2/Vs。
　　本次研究證實(shí)，使用三維納米多孔石墨烯的晶體管通過利用納米多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以通過電場，控制高度集成的大面積二維原子層的電子密度。在今后，使用石墨烯和二硫化鉬、利用原子層的感光元件，以及高度集成的立體電路的實(shí)用化有望取得進(jìn)展。與此同時(shí)，在使用石墨烯和其他原子層材料的“三維納米多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)”領(lǐng)域，也有望誕生出新的材料。
　　本次研究得到了日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)（JST）戰(zhàn)略性創(chuàng)造研究推進(jìn)事業(yè)CREST“實(shí)現(xiàn)能源高效率的相界面科學(xué)”研究領(lǐng)域、日本文部科學(xué)省新學(xué)術(shù)領(lǐng)域研究“原子層科學(xué)”、日本世界頂級國際研究中心計(jì)劃（WPI）的支援。研究成果已刊登在德國科學(xué)雜志《Advanced Materials》的2016年10月11日網(wǎng)絡(luò)版上。（特約撰稿人：工藤宗介）