世界首個石墨烯制成的功能半導體問世：為開發全新電子產品打開大門丨科技觀察

封面新聞記者 車家竹

日前，美國佐治亞理工學院和天津大學組成的研究團隊創造了世界上第一個由石墨烯制成的功能半導體。利用外延石墨烯與碳化硅發生化學鍵合，表現出半導體特性。測量表明，石墨烯半導體的遷移率是硅的10倍，它的誕生為突破傳統硅基半導體的性能極限打開了新的大門……

何為石墨烯？

一種未來革命性的材料

記者查閱資料發現，石墨烯是碳的同素異形體，利用石墨烯這種晶體結構可以構建碳納米管、納米帶、多壁碳納米管，它具有優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被專家認為是一種未來革命性的材料。

石墨烯構建富勒烯、碳納米管示意圖

英國曼徹斯特大學物理學家：安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，由于成功從石墨中分離出石墨烯，獲得2010年度諾貝爾物理學獎。石墨烯從此進入大眾視野，成為材料家族中光芒四射的“新星”。

在材料大家族中，石墨烯只是個“晚輩”，但石墨烯對物理學基礎研究有著特殊意義，它使得此前一些只能在理論上進行論證的量子效應可以通過實驗進行驗證。在二維的石墨烯中，電子的質量仿佛是不存在的，這種性質使石墨烯成為了一種罕見的可用于研究相對論量子力學的凝聚態物質—因為無質量的粒子必須以光速運動，從而必須用相對論量子力學來描述。

近年來，石墨烯的研究與應用開發持續升溫，研究者們致力于在不同領域嘗試不同方法以求制備高質量、大面積石墨烯材料。通過對石墨烯制備工藝的不斷優化和改進，降低石墨烯制備成本使其優異的材料性能得到更廣泛的應用，并逐步走向產業化。

如何做到？

石墨烯“搭載”半導體

雖然石墨烯在未來微電子學領域有極大的應用前景，但是其零帶隙的特點阻礙了石墨烯在半導體領域的應用，這種電子結構會嚴重影響到氣體分子在其表面上的作用。石墨烯沒有合適的帶隙，就無法以正確的比率打開和關閉，導致不能在半導體領域直接應用，也對其在電子應用中的可行性產生疑慮，這也是石墨烯電子學中長期存在的問題。多年來，許多研究者嘗試用各種方法來解決這個問題。

石墨烯和碳化硅的分子模型

直到今天，這個問題才得以突破。研究團隊使用特殊熔爐在碳化硅晶圓上生長石墨烯時，生產了外延石墨烯，這是在碳化硅晶面上生長的單層，當制造得當時，外延石墨烯會與碳化硅發生化學鍵合，并開始表現出半導體特性。

但要制造功能性晶體管，必須對半導體材料進行大量操作，這可能會損害其性能，為了證明他們的平臺可作為可行的半導體發揮作用，該團隊需要在不損壞它的情況下測量其電子特性。

研究團隊將原子放在石墨烯上，利用摻雜技術向系統“捐贈”電子，用于查看該材料是否是良好的導體。測量表明，他們的石墨烯半導體的遷移率是硅的10倍，在這個過程中電子以非常低的阻力移動，這在電子學中意味著更快的計算。

“這就像在碎石路上行駛與在高速公路上行駛一樣”。研究人員沃爾特德希爾表示，它效率更高，升溫幅度不大，并且速度更高，因此電子可移動得更快。

新開發的產品是目前唯一具有用于納米電子學的所有必要特性的二維半導體，其電學特性遠遠優于目前正在開發的任何其他二維半導體。同時，研究人員還補充道：“外延石墨烯可能會引起電子領域的范式轉變，并導致利用其獨特特性的全新技術，這種材料允許利用電子的量子力學波特性，從而滿足量子計算的要求?！?/p>

石墨烯器件生長在碳化硅襯底芯片上

石墨烯研究

為開發全新電子產品打開大門

作為新興材料，石墨和石墨烯有關的材料被廣泛應用在半導體器件，鑒于石墨烯材料優異的性能及其潛在的應用價值，在眾多學科領域取得了一系列重要進展。它被認為是最理想的電極和半導體材料，其最佳、最具潛力的應用是成為“硅”的替代品。

對此，資深產業經濟觀察家梁振鵬表示：“石墨烯有可能代替硅成為未來的微電子材料，其主要優勢在于更高的電子遷移速度、更低的功耗和柔性特點。然而，要實現石墨烯在微電子領域的廣泛應用，還需解決生產成本、工藝技術等問題。”

值得一提的是，該篇論文的共同第一作者以及其余多位署名作者主要來自中國天津大學研究團隊，在整個研究中天津大學團隊承擔主要研究與攻關工作。

“對石墨烯的研究，我國雖起步相對較晚，研究跟進卻很快，目前在石墨烯研究方面取得了顯著成果，處于世界范圍內的第一梯隊。近年來，我國科學家在石墨烯制備、應用等方面取得了突破性進展，已有部分領域達到國際領先水平?！睂τ谑┑陌l展，梁振鵬補充道。

石墨烯結構圖

細看石墨烯，碳原子緊密排列成蜂窩狀結構，外觀呈完美的對稱正六邊形，各個碳原子之間的連接柔韌，即使受到外力沖擊，也可以通過彎曲變形來維持結構溫度。這個“改變21世紀的神奇材料”，正在大放異彩……

（圖片來源于網絡）

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