計算機世界：石墨烯晶體管延續(xù)摩爾定律

　　眾所周知，根據(jù)半導(dǎo)體業(yè)著名的摩爾定律，芯片的集成度每18個月至2年提高一倍，即加工線寬縮小一半。人們普遍認(rèn)為，這一定律還能延續(xù)10年。提出該定律的摩爾本人也曾公開表示，10年之后，摩爾定律將很難繼續(xù)有效，因為采用目前的工藝和硅基半導(dǎo)體材料來延長摩爾定律壽命的發(fā)展道路已逐漸接近終點。

　　世界上最小的晶體管

　　硅材料的加工極限一般認(rèn)為是10納米線寬。受物理原理的制約，小于10納米后不太可能生產(chǎn)出性能穩(wěn)定、集成度更高的產(chǎn)品。然而英國科學(xué)家發(fā)明的新型晶體管將延長摩爾定律的壽命。該晶體管有望為研制新型超高速計算機芯片帶來突破。值得一提的是世界最小晶體管的主要研制者也是于2004年開發(fā)出石墨烯的人，他們就是英國曼切斯特大學(xué)物理和天文學(xué)系的安德烈·K·海姆（Andre Geim）教授和科斯佳·諾沃謝洛夫（Kostya Novoselov）研究員。正是因為開發(fā)出了石墨烯，他們獲得了2008年諾貝爾物理獎的提名。

　　由上述兩人率領(lǐng)的英國科學(xué)家開發(fā)出的世界最小晶體管僅1個原子厚10個原子寬，所采用的材料是由單原子層構(gòu)成的石墨烯。石墨烯作為新型半導(dǎo)體材料，近年來獲得科學(xué)界的廣泛關(guān)注。英國科學(xué)家采用標(biāo)準(zhǔn)的晶體管工藝，首先在單層石墨膜上用電子束刻出溝道。然后在所余下的被稱為“島”的中心部分封入電子，形成量子點。石墨烯晶體管柵極部分的結(jié)構(gòu)為10多納米的量子點夾著幾納米的絕緣介質(zhì)。這種量子點往往被稱為“電荷島”。由于施加電壓后會改變該量子點的導(dǎo)電性，這樣一來量子點如同于標(biāo)準(zhǔn)的場效應(yīng)晶體管一樣，可記憶晶體管的邏輯狀態(tài)。另據(jù)報導(dǎo)，英國曼切斯特大學(xué)安德烈·海姆教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊，除了已開發(fā)出了10納米級可實際運行的石墨烯晶體管外，他們尚未公布的最新研究成果還有，已研制出長寬均為1個分子的更小的石墨烯晶體管。該石墨烯晶體管實際上是由單原子組成的晶體管。

　　神奇的半導(dǎo)體材料

　　石墨烯開發(fā)者之一的曼切斯特大學(xué)諾沃謝洛夫博士指出，石墨烯是研究領(lǐng)域的“金礦”，在很長一段時間內(nèi)，研究人員將會陸續(xù)“開采”出新的研究成果。

　　那么石墨烯又為何物呢？石墨烯（Graphene）是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子薄膜，是由單層六角元胞碳原子組成的蜂窩狀二維晶體。換言之，它是單原子層的石墨晶體薄膜，其晶格是由碳原子構(gòu)成的二維蜂窩結(jié)構(gòu)。這種石墨晶體薄膜的厚度只有0.335納米，將其20萬片薄膜疊加到一起，也只相當(dāng)一根頭發(fā)絲的厚度。該材料具有許多新奇的物理特性。石墨烯是一種零帶隙半導(dǎo)體材料，具有遠(yuǎn)比硅高的載流子遷移率, 并且從理論上說，它的電子遷移率和空穴遷移率兩者相等，因此其n型場效應(yīng)晶體管和p型場效應(yīng)晶體管是對稱的。還有，因為其具有零禁帶特性，即使在室溫下載流子在石墨烯中的平均自由程和相干長度也可為微米級, 所以它是一種性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料。此外，石墨烯還可用于制造復(fù)合材料、電池/超級電容、儲氫材料、場發(fā)射材料以及超靈敏傳感器等。因此科研人員爭先恐后地投入到如何制備和表征其物理、化學(xué)、機械性能的研究。

　　科學(xué)家們對石墨烯感興趣的原因之一是受到碳納米管科研成果的啟發(fā)。石墨烯很有可能會成為硅的替代品。事實上，碳納米管就是卷入柱面中的石墨烯微片，與碳納米管一樣，其具有優(yōu)良的電子性能，可用來制成超高性能的電子產(chǎn)品。它優(yōu)于碳納米管的是，在制作復(fù)雜電路時，納米管必須經(jīng)過仔細(xì)篩選和定位，目前還沒有開發(fā)出非常好的方法，而這對石墨烯而言則要容易得多。

　　硅基的微計算機處理器在室溫條件下每秒鐘只能執(zhí)行一定數(shù)量的操作，然而電子穿過石墨烯幾乎沒有任何阻力，所產(chǎn)生的熱量也非常少。此外，石墨烯本身就是一個良好的導(dǎo)熱體，可以很快地散發(fā)熱量。由于具有優(yōu)異的性能，由石墨烯制造的電子產(chǎn)品運行的速度要快得多。有關(guān)專家指出: “硅的速度是有極限的，只能達(dá)到現(xiàn)在這個地步，無法再提高了。”目前，硅器件的工作速度已達(dá)到千兆赫茲的范圍。而石墨烯器件制成的計算機的運行速度可達(dá)到太赫茲，即1千兆赫茲的1000倍。如果能進(jìn)一步開發(fā)，其意義不言而喻。

　　除了讓計算機運行得更快，石墨烯器件還能用于需要高速工作的通信技術(shù)和成像技術(shù)。有關(guān)專家認(rèn)為，石墨烯很可能首先應(yīng)用于高頻領(lǐng)域，如太赫茲波成像，其一個用途是用來探測隱藏的武器。然而，速度還不是石墨烯的惟一優(yōu)點。硅不能分割成小于10納米的小片，否則其將失去誘人的電子性能。與硅相比，石墨烯分割成一個納米的小片時，其基本物理性能并不改變，而且其電子性能還有可能異常發(fā)揮。

　　研究成果陸續(xù)發(fā)布

　　馬里蘭大學(xué)納米技術(shù)和先進(jìn)材料中心的物理學(xué)教授Michael S. Fuhrer領(lǐng)導(dǎo)的科研小組的實驗表明，石墨烯的電子遷移率不隨溫度而改變。他們在50開氏度和500開氏度之間測量了石墨烯的電子遷移率，發(fā)現(xiàn)無論溫度怎么變化，電子遷移率大約都是150000 cm2/Vs。而硅的電子遷移率為1400 cm2/Vs。電子在石墨烯中的傳輸速度比硅快100倍，因而未來的半導(dǎo)體材料是石墨烯而不是硅。這將使開發(fā)更高速的計算機芯片和生化傳感器成為可能。他們還首次測量了石墨烯中電子傳導(dǎo)的熱振動效應(yīng)，實驗結(jié)果顯示，石墨烯中電子傳導(dǎo)的熱振動效應(yīng)非常微小。

　　中科院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院明平兵研究員及合作者劉芳、李巨的計算結(jié)果表明，預(yù)測石墨烯的理想強度為110GPa～121GPa。這意味著石墨烯是目前人類已知的最為牢固的材料。

　　美國哥倫比亞大學(xué)James Hone和Jeffrey Kysar研究組在2008年7月《科學(xué)》雜志中宣布，石墨烯是現(xiàn)在世界上已知的最為堅固的材料。他們發(fā)現(xiàn)，在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，其每100納米距離上可承受的最大壓力達(dá)到約2.9微牛。這一結(jié)果相當(dāng)于，施加55牛頓的壓力才能使1米長的石墨烯斷裂。

　　如果能制作出厚度相當(dāng)于塑料包裝袋（厚度約100納米）的石墨烯，那么需要施加約兩萬牛頓的壓力才能將其扯斷。這意味著石墨烯比鉆石還要堅硬。

　　2008年9月26日的《科學(xué)》 雜志上公布，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室固態(tài)量子信息實驗室的博士生蔡偉偉赴美國得克薩斯大學(xué)奧斯丁分校期間，在Rodney Ruoff教授和陳東敏研究員指導(dǎo)下，制備出高品質(zhì)13C同位素合成石墨, 還進(jìn)一步把13C-石墨解離成13C-石墨烯及其衍生物13C-氧化石墨烯。分析這種材料揭示出了爭議已久的氧化石墨烯化學(xué)結(jié)構(gòu)。

　　低噪聲 石墨烯晶體管

　　2008年3月IBM沃森研究中心的科學(xué)家在世界上率先制成低噪聲石墨烯晶體管。

　　普通的納米器件隨著尺寸的減小，被稱做1/f的噪音會越來越明顯，使器件信噪比惡化。這種現(xiàn)象就是“豪格規(guī)則(Hooge's law)”，石墨烯、碳納米管以及硅材料都會產(chǎn)生該現(xiàn)象。因此，如何減小1/f噪聲成為實現(xiàn)納米元件的關(guān)鍵問題之一。IBM通過重疊兩層石墨烯，試制成功了晶體管。由于兩層石墨烯之間生成了強電子結(jié)合，從而控制了1/f噪音。IBM華裔研究人員Ming-Yu Lin的該發(fā)現(xiàn)證明，兩層石墨烯有望應(yīng)用于各種各樣的領(lǐng)域。

　　2008年5月美國喬治亞科技學(xué)院教授德希爾與美國麻省理工學(xué)院林肯實驗室合作在單一芯片上生成的幾百個石墨烯晶體管陣列。

　　2008年6月底日本東北大學(xué)電通信所末光真治教授在硅襯底上生成單層石墨膜, 即石墨烯?？稍诓豢s小情況下實現(xiàn)器件高速度工作，例如可用于制作每秒1012赫茲級高頻器件和超級微處理器。單層石墨膜很難制作，為厚度僅為一個碳原子的蜂窩狀石墨結(jié)構(gòu)。末光教授的團隊控制碳化硅形成時的結(jié)晶方向和硅襯底切割的結(jié)晶方向，得到100×150平方微米面積的兩層石墨膜，其晶格畸變率僅為1.7%。其他科研團隊利用傳統(tǒng)方法的晶格畸變率為20%，因而不能制成可實際應(yīng)用的器件。末光教授的方法是將碳化硅襯底在真空條件下加熱至1000多度，除去硅而余下的碳，通過自組形式形成單層石墨膜。