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，該團(tuán)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(tǒng)微電子加工方法兼容的石墨烯半導(dǎo)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(tuán)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(rèn)為石墨烯電子將永遠(yuǎn)無法工作的原因，即“能隙”。這是一個關(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說道。“但過去10年來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特殊屬性引入電子技術(shù)中的啟發(fā)，”他說?！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)隊想出了如何利用特殊爐子在碳化硅晶圓上生長石墨烯。他們制造了外延石墨烯，這是一層生長在碳化硅晶體表面的單層。該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)它制備得當(dāng)時，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(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。能隙是一種在對其施加電場時可以打開和關(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)過大幅度的加工，這可能會損壞其性質(zhì)。為了證明他們的平臺能夠作為可行的半導(dǎo)體，團(tuán)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(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)隊的測量顯示，他們的石墨烯半導(dǎo)體的遷移率是硅的10倍。換句話說，電子以非常低的電阻移動，這在電子學(xué)中轉(zhuǎn)化為更快的計算?！斑@就像在碎石路上開車與在高速公路上開車一樣，”de Heer說。“它更有效率，不會發(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?！?/p>

該團(tuán)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(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)域的一個長期問題是石墨烯沒有正確的能隙，不能按照正確的比例打開和關(guān)閉，”馬說。“多年來，許多人嘗試用各種方法解決這個問題。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。”

展望未來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，這是量子計算的一個要求。

“我們進(jìn)行石墨烯電子研究的動機(jī)已經(jīng)存在很長時間，其余的就是讓它發(fā)生，”de Heer說。“我們必須學(xué)會如何處理這種材料，如何使它變得越來越好，最終如何測量其性質(zhì)。這需要很長時間?！?/p>

根據(jù)de Heer的說法，看到另一代電子產(chǎn)品即將到來并不罕見。在硅之前，有真空管，再之前有電線和電報。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。

“對我來說，這就像是萊特兄弟的時刻，”de Heer說。“他們造了一架能在空中飛行300英尺的飛機(jī)。但懷疑論者問為什么世界需要飛行，當(dāng)時已經(jīng)有快速的火車和船了。但他們堅持了下來，這是一項可以讓人們跨越海洋的技術(shù)的開始。”