佐治亞理工學(xué)院的研究人員創(chuàng)造了世界上第一個(gè)由石墨烯制成的功能半導(dǎo)體，石墨烯是由已知最強(qiáng)的鍵連接在一起的單片碳原子。半導(dǎo)體是在特定條件下導(dǎo)電的材料，是電子設(shè)備的基本組件。該團(tuán)隊(duì)的突破為電子產(chǎn)品的新方式打開(kāi)了大門(mén)。

他們的發(fā)現(xiàn)正值硅——幾乎所有現(xiàn)代電子產(chǎn)品的制造材料——面對(duì)越來(lái)越快的計(jì)算和越來(lái)越小的電子設(shè)備而達(dá)到其極限。佐治亞理工學(xué)院物理學(xué)教授沃爾特·德希爾 (Walter de Heer)帶領(lǐng)位于佐治亞州亞特蘭大和中國(guó)天津的研究團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)出一種與傳統(tǒng)微電子加工方法兼容的石墨烯半導(dǎo)體——這是任何可行的替代品的必要條件。硅。

在這項(xiàng)發(fā)表在《自然》雜志上的最新研究中，德赫爾和他的團(tuán)隊(duì)克服了幾十年來(lái)困擾石墨烯研究的最大障礙，也是許多人認(rèn)為石墨烯電子器件永遠(yuǎn)無(wú)法工作的原因。它被稱(chēng)為“帶隙”，是一種至關(guān)重要的電子特性，可以讓半導(dǎo)體打開(kāi)和關(guān)閉。直到現(xiàn)在，石墨烯還沒(méi)有帶隙。

“我們現(xiàn)在擁有一種極其堅(jiān)固的石墨烯半導(dǎo)體，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，”de Heer 說(shuō)。“但過(guò)去 10 年我們的工作故事一直是，‘我們能否讓這種材料足夠好以發(fā)揮作用?’”

新型半導(dǎo)體

De Heer 在職業(yè)生涯的早期就開(kāi)始探索碳基材料作為潛在的半導(dǎo)體，然后在 2001 年轉(zhuǎn)向探索二維石墨烯。當(dāng)時(shí)他知道石墨烯在電子領(lǐng)域具有潛力。

“我們希望將石墨烯的三種特殊性能引入電子產(chǎn)品中，”他說(shuō)。“它是一種極其堅(jiān)固的材料，可以處理非常大的電流，并且不會(huì)升溫和分解。”

當(dāng)?shù)潞諣柡退膱F(tuán)隊(duì)弄清楚如何使用特殊熔爐在碳化硅晶圓上生長(zhǎng)石墨烯時(shí)，他取得了突破。他們生產(chǎn)了外延石墨烯，這是在碳化硅晶面上生長(zhǎng)的單層。研究小組發(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(kāi)始表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性。

在接下來(lái)的十年里，他們?cè)谧糁蝸喞砉W(xué)院堅(jiān)持完善這種材料，后來(lái)又與中國(guó)天津大學(xué)天津國(guó)際納米顆粒與納米系統(tǒng)中心的同事合作。De Heer 于 2014 年與中心主任、論文合著者馬雷共同創(chuàng)立了該中心。

他們是如何做到的

在其自然形式下，石墨烯既不是半導(dǎo)體也不是金屬，而是半金屬。帶隙是一種在施加電場(chǎng)時(shí)可以打開(kāi)和關(guān)閉的材料，這就是所有晶體管和硅電子器件的工作原理。石墨烯電子學(xué)研究的主要問(wèn)題是如何打開(kāi)和關(guān)閉它，以便它可以像硅一樣工作。

但要制造功能性晶體管，必須對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行大量操作，這可能會(huì)損害其性能。為了證明他們的平臺(tái)可以作為可行的半導(dǎo)體發(fā)揮作用，該團(tuán)隊(duì)需要在不損壞它的情況下測(cè)量其電子特性。

他們將原子放在石墨烯上，向系統(tǒng)“捐贈(zèng)”電子——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(dǎo)體。它的工作不會(huì)損壞材料或其特性。

該團(tuán)隊(duì)的測(cè)量表明，他們的石墨烯半導(dǎo)體的遷移率是硅的 10 倍。換句話(huà)說(shuō)，電子以非常低的阻力移動(dòng)，這在電子學(xué)中意味著更快的計(jì)算。“這就像在碎石路上行駛與在高速公路上行駛一樣，”德希爾說(shuō)。“它效率更高，升溫幅度不大，并且速度更高，因此電子可以移動(dòng)得更快。”

該團(tuán)隊(duì)的產(chǎn)品是目前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，其電學(xué)特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前正在開(kāi)發(fā)的任何其他二維半導(dǎo)體。

“石墨烯電子學(xué)中長(zhǎng)期存在的問(wèn)題是石墨烯沒(méi)有合適的帶隙，并且無(wú)法以正確的比率打開(kāi)和關(guān)閉，”馬說(shuō)。“多年來(lái)，許多人嘗試用各種方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。我們的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了帶隙，是實(shí)現(xiàn)基于石墨烯的電子產(chǎn)品的關(guān)鍵一步。”

向前進(jìn)

外延石墨烯可能會(huì)引起電子領(lǐng)域的范式轉(zhuǎn)變，并允許利用其獨(dú)特特性的全新技術(shù)。該材料允許利用電子的量子力學(xué)波特性，這是量子計(jì)算的要求。

“我們開(kāi)發(fā)石墨烯電子產(chǎn)品的動(dòng)機(jī)已經(jīng)存在很長(zhǎng)時(shí)間了，剩下的只是讓它發(fā)生，”德希爾說(shuō)。“我們必須學(xué)習(xí)如何處理材料，如何使其變得越來(lái)越好，最后如何測(cè)量其性能。這花了非常非常長(zhǎng)的時(shí)間。”

德赫爾表示，新一代電子產(chǎn)品即將問(wèn)世并不罕見(jiàn)。在硅出現(xiàn)之前，就有了真空管，在此之前，就有了電線(xiàn)和電報(bào)機(jī)。硅是電子學(xué)歷史上眾多進(jìn)步之一，下一步可能是石墨烯。

“對(duì)我來(lái)說(shuō)，這就像萊特兄弟的時(shí)刻，”德希爾說(shuō)。“他們建造了一架可以在空中飛行 300 英尺的飛機(jī)。但懷疑論者質(zhì)疑，既然世界已經(jīng)有了高速火車(chē)和輪船，為什么還需要飛行呢?但他們堅(jiān)持了下來(lái)，這是一項(xiàng)可以帶人們跨越海洋的技術(shù)的開(kāi)始。”