研究人員成功創(chuàng )建了世界上第一塊由石墨烯制成的功能性半導體

研究人員在美國佐治亞理工學(xué)院成功創(chuàng )建了世界上第一塊由石墨烯制成的功能性半導體，石墨烯是由最強結合力的碳原子單層組成的材料。半導體是在特定條件下導電的材料，是電子設備的基礎組件。該團隊的突破為一種新型電子技術(shù)打開(kāi)了大門(mén)。

這一發(fā)現正值硅，即幾乎所有現代電子設備都由其制成的材料，面臨著(zhù)日益迅速的計算和更小的電子設備的挑戰。

佐治亞理工學(xué)院物理學(xué)教授Walter de Heer領(lǐng)導了一支研究團隊，該團隊總部位于美國佐治亞州亞特蘭大市和中國天津，成功制造出一種與傳統微電子加工方法兼容的石墨烯半導體，這對于硅的任何可行替代品都是必要的。

在最新的研究中，發(fā)表在《自然》雜志上，de Heer及其團隊克服了困擾石墨烯研究幾十年的至關(guān)重要的障礙，也是許多人認為石墨烯電子將永遠無(wú)法工作的原因，即“能隙”。這是一個(gè)關(guān)鍵的電子屬性，使半導體能夠開(kāi)關(guān)。直到現在，石墨烯都沒(méi)有能隙。

"我們現在擁有了一種極其強大的石墨烯半導體，其遷移率是硅的10倍，而且還具有硅中不可用的獨特特性，" de Heer說(shuō)道?！暗^(guò)去10年來(lái)我們工作的故事一直是：‘我們能使這種材料足夠好以便工作嗎？’”

一種新型半導體De Heer早在他的職業(yè)生涯初期就開(kāi)始探索碳基材料作為潛在的半導體，然后在2001年轉向探索二維石墨烯。當時(shí)他就知道石墨烯在電子方面有潛力。

“我們受到了希望將石墨烯的三個(gè)特殊屬性引入電子技術(shù)中的啟發(fā)，”他說(shuō)?！八且环N極其強大的材料，可以處理非常大的電流，而且可以在不發(fā)熱和破裂的情況下完成?！?/p>

De Heer取得突破的關(guān)鍵在于他和他的團隊想出了如何利用特殊爐子在碳化硅晶圓上生長(cháng)石墨烯。他們制造了外延石墨烯，這是一層生長(cháng)在碳化硅晶體表面的單層。該團隊發(fā)現，當它制備得當時(shí)，外延石墨烯與碳化硅化學(xué)結合并開(kāi)始顯示半導體特性。

在接下來(lái)的十年里，他們在佐治亞理工學(xué)院不斷完善這一材料，并與中國天津大學(xué)國際納米顆粒與納米系統中心的同事合作。De Heer于2014年與該中心的主任和論文的共同作者Lei Ma共同創(chuàng )立了該中心。

他們是如何做到的在其自然形式中，石墨烯既不是半導體也不是金屬，而是半金屬。能隙是一種在對其施加電場(chǎng)時(shí)可以打開(kāi)和關(guān)閉的材料，這是所有晶體管和硅電子工作的方式。石墨烯電子研究的主要問(wèn)題是如何使其像硅一樣打開(kāi)和關(guān)閉，以便它能夠像硅一樣工作。

但要制造一種功能性的晶體管，半導體材料必須經(jīng)過(guò)大幅度的加工，這可能會(huì )損壞其性質(zhì)。為了證明他們的平臺能夠作為可行的半導體，團隊需要測量其電子性質(zhì)而不損害它。

他們在石墨烯上放置了“捐贈”電子給系統的原子—這是一種稱(chēng)為摻雜的技術(shù)，用于查看該材料是否是良好的導體。這種方法在不損害材料或其性質(zhì)的情況下奏效。

該團隊的測量顯示，他們的石墨烯半導體的遷移率是硅的10倍。換句話(huà)說(shuō)，電子以非常低的電阻移動(dòng)，這在電子學(xué)中轉化為更快的計算?！斑@就像在碎石路上開(kāi)車(chē)與在高速公路上開(kāi)車(chē)一樣，”de Heer說(shuō)?！八行?，不會(huì )發(fā)熱那么多，而且它允許更高的速度，因此電子可以更快地移動(dòng)?！?/p>

該團隊的產(chǎn)品目前是唯一具有用于納米電子中所有必要特性的二維半導體，其電氣性能遠遠優(yōu)于目前正在開(kāi)發(fā)中的任何其他二維半導體。

“石墨烯電子領(lǐng)域的一個(gè)長(cháng)期問(wèn)題是石墨烯沒(méi)有正確的能隙，不能按照正確的比例打開(kāi)和關(guān)閉，”馬說(shuō)?！岸嗄陙?lái)，許多人嘗試用各種方法解決這個(gè)問(wèn)題。我們的技術(shù)實(shí)現了這一能隙，是實(shí)現基于石墨烯的電子的關(guān)鍵一步?！?/p>

展望未來(lái)外延石墨烯可能引發(fā)電子領(lǐng)域的范式轉變，并允許利用其獨特特性的全新技術(shù)的出現。該材料允許電子的量子機械波特性被利用，這是量子計算的一個(gè)要求。

“我們進(jìn)行石墨烯電子研究的動(dòng)機已經(jīng)存在很長(cháng)時(shí)間，其余的就是讓它發(fā)生，”de Heer說(shuō)?！拔覀儽仨殞W(xué)會(huì )如何處理這種材料，如何使它變得越來(lái)越好，最終如何測量其性質(zhì)。這需要很長(cháng)時(shí)間?！?/p>

根據de Heer的說(shuō)法，看到另一代電子產(chǎn)品即將到來(lái)并不罕見(jiàn)。在硅之前，有真空管，再之前有電線(xiàn)和電報。硅是電子歷史上的眾多步驟之一，而下一步可能就是石墨烯。

“對我來(lái)說(shuō)，這就像是萊特兄弟的時(shí)刻，”de Heer說(shuō)?！八麄冊炝艘患苣茉诳罩酗w行300英尺的飛機。但懷疑論者問(wèn)為什么世界需要飛行，當時(shí)已經(jīng)有快速的火車(chē)和船了。但他們堅持了下來(lái)，這是一項可以讓人們跨越海洋的技術(shù)的開(kāi)始?！?/p>