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(dǎo)體

研究人員在美國(guó)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(dǎo)體，石墨烯是由最強(qiáng)結(jié)合力的碳原子單層組成的材料。半導(dǎo)體是在特定條件下導(dǎo)電的材料，是電子設(shè)備的基礎(chǔ)組件。該團(tuán)隊(duì)的突破為一種新型電子技術(shù)打開了大門。

這一發(fā)現(xiàn)正值硅，即幾乎所有現(xiàn)代電子設(shè)備都由其制成的材料，面臨著日益迅速的計(jì)算和更小的電子設(shè)備的挑戰(zhàn)。

佐治亞理工學(xué)院物理學(xué)教授Walter de Heer領(lǐng)導(dǎo)了一支研究團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)總部位于美國(guó)佐治亞州亞特蘭大市和中國(guó)天津，成功制造出一種與傳統(tǒng)微電子加工方法兼容的石墨烯半導(dǎo)體，這對(duì)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(tuán)隊(duì)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(rèn)為石墨烯電子將永遠(yuǎn)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(dǎo)體能夠開關(guān)。直到現(xiàn)在，石墨烯都沒(méi)有能隙。

"我們現(xiàn)在擁有了一種極其強(qiáng)大的石墨烯半導(dǎo)體，其遷移率是硅的10倍，而且還具有硅中不可用的獨(dú)特特性，" de Heer說(shuō)道。“但過(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(dǎo)體De Heer早在他的職業(yè)生涯初期就開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(qiáng)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(tuán)隊(duì)想出了如何利用特殊爐子在碳化硅晶圓上生長(zhǎng)石墨烯。他們制造了外延石墨烯，這是一層生長(zhǎng)在碳化硅晶體表面的單層。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)它制備得當(dāng)時(shí)，外延石墨烯與碳化硅化學(xué)結(jié)合并開始顯示半導(dǎo)體特性。

在接下來(lái)的十年里，他們?cè)谧糁蝸喞砉W(xué)院不斷完善這一材料，并與中國(guó)天津大學(xué)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(dǎo)體也不是金屬，而是半金屬。能隙是一種在對(duì)其施加電場(chǎng)時(shí)可以打開和關(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(dǎo)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(tái)能夠作為可行的半導(dǎo)體，團(tuán)隊(duì)需要測(cè)量其電子性質(zhì)而不損害它。

他們?cè)谑┥戏胖昧恕熬栀?zèng)”電子給系統(tǒng)的原子—這是一種稱為摻雜的技術(shù)，用于查看該材料是否是良好的導(dǎo)體。這種方法在不損害材料或其性質(zhì)的情況下奏效。

該團(tuán)隊(duì)的測(cè)量顯示，他們的石墨烯半導(dǎo)體的遷移率是硅的10倍。換句話說(shuō)，電子以非常低的電阻移動(dòng)，這在電子學(xué)中轉(zhuǎn)化為更快的計(jì)算。“這就像在碎石路上開車與在高速公路上開車一樣，”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(tuán)隊(duì)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(dǎo)體，其電氣性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前正在開發(fā)中的任何其他二維半導(dǎo)體。

“石墨烯電子領(lǐng)域的一個(gè)長(zhǎng)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(xiàn)了這一能隙，是實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)變，并允許利用其獨(dú)特特性的全新技術(shù)的出現(xiàn)。該材料允許電子的量子機(jī)械波特性被利用，這是量子計(jì)算的一個(gè)要求。

“我們進(jìn)行石墨烯電子研究的動(dòng)機(jī)已經(jīng)存在很長(zhǎng)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(cè)量其性質(zhì)。這需要很長(zhǎng)時(shí)間?！?/p>

根據(jù)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。在硅之前，有真空管，再之前有電線和電報(bào)。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(duì)我來(lái)說(shuō)，這就像是萊特兄弟的時(shí)刻，”de Heer說(shuō)?！八麄?cè)炝艘患苣茉诳罩酗w行300英尺的飛機(jī)。但懷疑論者問(wèn)為什么世界需要飛行，當(dāng)時(shí)已經(jīng)有快速的火車和船了。但他們堅(jiān)持了下來(lái)，這是一項(xiàng)可以讓人們跨越海洋的技術(shù)的開始?！?/p>