世界首个石墨烯制成的功能半导体问世：为开拓全新电子产品打开大年夜门丨科技不雅观察

日前，美国佐治亚理工学院和天津大学组成的研究团队创造了天下上第一个由石墨烯制成的功能半导体。
利用外延石墨烯与碳化硅发生化学键合，表现出半导体特性。
丈量表明，石墨烯半导体的迁移率是硅的10倍，它的出身为打破传统硅基半导体的性能极限打开了新的大门……

作甚石墨烯？

一种未来革命性的材料

查阅资料创造，石墨烯是碳的同素异形体，利用石墨烯这种晶体构造可以构建碳纳米管、纳米带、多壁碳纳米管，它具有精良的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物通报等方面具有主要的运用前景，被专家认为是一种未来革命性的材料。

石墨烯构建富勒烯、碳纳米管示意图

英国曼彻斯特大学物理学家：安德烈盖姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，由于成功从石墨等分离出石墨烯，得到2010年度诺贝尔物理学奖。
石墨烯从此进入大众视野，成为材料家族中光芒四射的“新星”。

在材料大家族中，石墨烯只是个“晚辈”，但石墨烯对物理学根本研究有着分外意义，它使得此前一些只能在理论上进行论证的量子效应可以通过实验进行验证。
在二维的石墨烯中，电子的质量仿佛是不存在的，这种性子使石墨烯成为了一种罕见的可用于研究相对论量子力学的凝聚态物质—由于无质量的粒子必须以光速运动，从而必须用相对论量子力学来描述。

近年来，石墨烯的研究与运用开拓持续升温，研究者们致力于在不同领域考试测验不同方法以求制备高质量、大面积石墨烯材料。
通过对石墨烯制备工艺的不断优化和改进，降落石墨烯制备本钱使其精良的材料性能得到更广泛的运用，并逐步走向家当化。

如何做到？

石墨烯“搭载”半导体

虽然石墨烯在未来微电子学领域有极大的运用前景，但是其零带隙的特点阻碍了石墨烯在半导体领域的运用，这种电子构造会严重影响到气体分子在其表面上的浸染。
石墨烯没有得当的带隙，就无法以精确的比率打开和关闭，导致不能在半导体领域直接应用，也对其在电子运用中的可行性产生疑虑，这也是石墨烯电子学中长期存在的问题。
多年来，许多研究者考试测验用各种方法来办理这个问题。

石墨烯和碳化硅的分子模型

直到本日，这个问题才得以打破。
研究团队利用分外熔炉在碳化硅晶圆上成长石墨烯时，生产了外延石墨烯，这是在碳化硅晶面上成长的单层，当制造得当时，外延石墨烯会与碳化硅发生化学键合，并开始表现出半导体特性。

但要制造功能性晶体管，必须对半导体材料进行大量操作，这可能会危害其性能，为了证明他们的平台可作为可行的半导体发挥浸染，该团队须要在不破坏它的情形下丈量其电子特性。

研究团队将原子放在石墨烯上，利用掺杂技能向系统“捐赠”电子，用于查看该材料是否是良好的导体。
丈量表明，他们的石墨烯半导体的迁移率是硅的10倍，在这个过程中电子以非常低的阻力移动，这在电子学中意味着更快的打算。

“这就像在碎石路上行驶与在高速公路上行驶一样”。
研究职员沃尔特-德-希尔表示，它效率更高，升温幅度不大，并且速率更高，因此电子可移动得更快。

新开拓的产品是目前唯一具有用于纳米电子学的所有必要特性的二维半导体，其电学特性远远优于目前正在开拓的任何其他二维半导体。
同时，研究职员还补充道：“外延石墨烯可能会引起电子领域的范式转变，并导致利用其独特特性的全新技能，这种材料许可利用电子的量子力学波特性，从而知足量子打算的哀求。
”

石墨烯器件成长在碳化硅衬底芯片上

石墨烯研究

为开拓全新电子产品打开大门

作为新兴材料，石墨和石墨烯有关的材料被广泛运用在半导体器件，鉴于石墨烯材料精良的性能及其潜在的运用代价，在浩瀚学科领域取得了一系列主要进展。
它被认为是最空想的电极和半导体材料，其最佳、最具潜力的运用是成为“硅”的替代品。

对此，资深家当经济不雅观察家梁振鹏表示：“石墨烯有可能代替硅成为未来的微电子材料，其紧张上风在于更高的电子迁移速率、更低的功耗和柔性特点。
然而，要实现石墨烯在微电子领域的广泛运用，还需办理生产本钱、工艺技能等问题。
”

值得一提的是，该篇论文的共同第一作者以及别的多位署名作者紧张来自中国天津大学研究团队，在全体研究中天津大学团队承担紧张研究与攻关事情。

“对石墨烯的研究，我国虽起步相对较晚，研究跟进却很快，目前在石墨烯研究方面取得了显著成果，处于天下范围内的第一梯队。
近年来，我国科学家在石墨烯制备、运用等方面取得了打破性进展，已有部分领域达到国际领先水平。
”对付石墨烯的发展，梁振鹏补充道。

石墨烯构造图

细看石墨烯，碳原子紧密排列成蜂窝状构造，外不雅观呈完美的对称正六边形，各个碳原子之间的连接柔韧，纵然受到外力冲击，也可以通过波折变形来坚持构造温度。
这个“改变21世纪的神奇材料”，正在大放异彩……

（图片来源于网络）

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