石墨烯是一種由碳原子形成的二維材料，具有出色的導(dǎo)電性能和機(jī)械強(qiáng)度。然而，在以往的研究中，石墨烯的半導(dǎo)體特性一直未能實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過數(shù)年的努力，美國佐治亞理工學(xué)院和天津大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)終于找到了一種方法，成功地將石墨烯轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂邪雽?dǎo)體特性的材料。
隨著科技的不斷進(jìn)步，如今的電子設(shè)備正朝著更小、更快的方向發(fā)展。然而，傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體已經(jīng)接近物理臨界點(diǎn)，難以滿足日益增長(zhǎng)的需求。2024年，科技界迎來了令人振奮的消息！美國佐治亞理工學(xué)院和天津大學(xué)研究人員共同創(chuàng)造了世界上第一個(gè)由石墨烯制成的功能半導(dǎo)體，其可以實(shí)現(xiàn)更小、更快的電子設(shè)備，并可能應(yīng)用于量子計(jì)算。隨著芯片技術(shù)的迭代逼近物理臨界點(diǎn)，石墨烯半導(dǎo)體的問世為電子產(chǎn)品的突破打開大門，也為我們提供了一種全新的材料選擇，能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的電子器件。
圖：美國佐治亞理工學(xué)院最新石墨烯半導(dǎo)體樣本
一、石墨烯在半導(dǎo)體應(yīng)用中的挑戰(zhàn)
一是缺乏帶隙。石墨烯既不是半導(dǎo)體也不是金屬，而是半金屬。石墨烯沒有帶隙，無法以正確的比率打開和關(guān)閉。帶隙是一種在施加電場(chǎng)時(shí)可以打開和關(guān)閉的材料，是所有晶體管和硅電子器件的工作原理。因此，石墨烯帶隙為零，不具有半導(dǎo)體性質(zhì)，無法實(shí)現(xiàn)像硅一樣在半導(dǎo)體中工作。
二是穩(wěn)定性低。石墨烯具有良好的導(dǎo)熱性能，但穩(wěn)定性不高，其無法在有氧環(huán)境中穩(wěn)定存在。它在高溫下與氧氣反應(yīng)，生成氧化石墨烯。其會(huì)破壞石墨烯本身的性能，直至失去導(dǎo)電性能。另外，石墨烯包含一些毒性和雜質(zhì)石墨，加熱過程中會(huì)產(chǎn)生毒化學(xué)物質(zhì)。有毒物質(zhì)殘留則會(huì)影響石墨烯性性能，且制成的電氣組件可能會(huì)危害日常生活。
三是成本昂貴。大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯非常困難且成本昂貴，通過機(jī)械剝離法可獲得少量的石墨烯片。但是，在商業(yè)化生產(chǎn)中，需要提取大量的石墨烯片，且提取出的材料包含一些雜質(zhì)/缺陷，無缺陷的石墨烯片成本更加昂貴。目前，一克石墨烯的價(jià)格約為100美元，單張石墨烯的制造成本為100美元，開發(fā)出合適的生產(chǎn)方法量產(chǎn)商業(yè)化石墨烯還要探究。
二、研究突破
美國佐治亞理工學(xué)院和天津大學(xué)研究人員克服了幾十年來困擾石墨烯零帶隙的最大障礙，實(shí)現(xiàn)了二大突破，從而將電子遷移率降低到可以替代硅的水平。
一是遷移率高。研究人員使用摻雜技術(shù)，將原子放在石墨烯上，向系統(tǒng)“捐贈(zèng)”電子。該方法實(shí)現(xiàn)了石墨烯零帶隙的突破，且不會(huì)損壞材料或其特性，是實(shí)現(xiàn)基于石墨烯的電子產(chǎn)品的關(guān)鍵一步。研究人員表示，該石墨烯半導(dǎo)體異常堅(jiān)固，其遷移率是硅的10倍，并且還具有硅所不具備的獨(dú)特性能。
二是穩(wěn)定性高。研究人員使用特殊熔爐在碳化硅晶圓上生長(zhǎng)石墨烯，取得另一突破。他們生產(chǎn)了外延石墨烯，在碳化硅晶面上生長(zhǎng)出單層石墨烯。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)制造得當(dāng)時(shí)，外延石墨烯會(huì)與碳化硅發(fā)生化學(xué)鍵合，并開始表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性。此外，其可以承受高電流，且在高溫環(huán)境中不會(huì)分解。
圖：Nature 雜志
三、研究前景
研究團(tuán)隊(duì)表明，石墨烯半導(dǎo)體的電子以非常低的阻力移動(dòng)，效率更高，且升溫較慢，但移動(dòng)速度更快，實(shí)現(xiàn)了高遷移率。目前，其是唯一具有用于納米電子學(xué)的所有必要特性的二維半導(dǎo)體，且電學(xué)特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前正在開發(fā)的任何其他二維半導(dǎo)體。外延石墨烯將引起電子領(lǐng)域的范式轉(zhuǎn)變，并利用其獨(dú)特特性實(shí)現(xiàn)全新技術(shù)突破。此外，利用其電子的量子力學(xué)波特性，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算飛躍發(fā)展。
隨著芯片技術(shù)的不斷迭代升級(jí)，傳統(tǒng)硅材料逐漸接近物理臨界點(diǎn)。石墨烯半導(dǎo)體的問世為電子產(chǎn)品的突破打開了大門。在不久的將來，我們或許能夠看到更小、更快、更強(qiáng)大的電子設(shè)備問世，為人們的生活帶來更多便利和可能性。同時(shí)，石墨烯半導(dǎo)體的應(yīng)用也將推動(dòng)量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展，加速人類對(duì)于科學(xué)、工程和計(jì)算問題的解決能力。石墨烯半導(dǎo)體的問世是電子產(chǎn)業(yè)邁向一次標(biāo)志性的突破。其優(yōu)異的電特性和潛在的應(yīng)用前景使其成為未來電子設(shè)備發(fā)展的重要方向。
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