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2024年，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院和天津大學(xué)研究人員共同創(chuàng)造了世界上第一個(gè)由石墨烯制成的功能半導(dǎo)體，其可以實(shí)現(xiàn)更小、更快的電子設(shè)備，并可能應(yīng)用于量子計(jì)算。隨著芯片技術(shù)的迭代逼近物理臨界點(diǎn)，石墨烯半導(dǎo)體的問(wèn)世為電子產(chǎn)品的突破打開(kāi)大門。

圖：美國(guó)佐治亞理工學(xué)院最新石墨烯半導(dǎo)體樣本

一、石墨烯在半導(dǎo)體應(yīng)用中的挑戰(zhàn)

 一是缺乏帶隙。石墨烯既不是半導(dǎo)體也不是金屬，而是半金屬。石墨烯沒(méi)有帶隙，無(wú)法以正確的比率打開(kāi)和關(guān)閉。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，是所有晶體管和硅電子器件的工作原理。因此，石墨烯帶隙為零，不具有半導(dǎo)體性質(zhì)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)像硅一樣在半導(dǎo)體中工作。

二是穩(wěn)定性低。石墨烯具有良好的導(dǎo)熱性能，但穩(wěn)定性不高，其無(wú)法在有氧環(huán)境中穩(wěn)定存在。它在高溫下與氧氣反應(yīng)，生成氧化石墨烯。其會(huì)破壞石墨烯本身的性能，直至失去導(dǎo)電性能。另外，石墨烯包含一些毒性和雜質(zhì)石墨，加熱過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生毒化學(xué)物質(zhì)。有毒物質(zhì)殘留則會(huì)影響石墨烯性性能，且制成的電氣組件可能會(huì)危害日常生活。

三是成本昂貴。大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯非常困難且成本昂貴，通過(guò)機(jī)械剝離法可獲得少量的石墨烯片。但是，在商業(yè)化生產(chǎn)中，需要提取大量的石墨烯片，且提取出的材料包含一些雜質(zhì)/缺陷，無(wú)缺陷的石墨烯片成本更加昂貴。目前，一克石墨烯的價(jià)格約為100美元，單張石墨烯的制造成本為100美元，開(kāi)發(fā)出合適的生產(chǎn)方法量產(chǎn)商業(yè)化石墨烯還要探究。

二、研究突破

美國(guó)佐治亞理工學(xué)院和天津大學(xué)研究人員克服了幾十年來(lái)困擾石墨烯零帶隙的最大障礙，實(shí)現(xiàn)了二大突破，從而將電子遷移率降低到可以替代硅的水平。

一是遷移率高。研究人員使用摻雜技術(shù)，將原子放在石墨烯上，向系統(tǒng)“捐贈(zèng)”電子。該方法實(shí)現(xiàn)了石墨烯零帶隙的突破，且不會(huì)損壞材料或其特性，是實(shí)現(xiàn)基于石墨烯的電子產(chǎn)品的關(guān)鍵一步。研究人員表示，該石墨烯半導(dǎo)體異常堅(jiān)固，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。

二是穩(wěn)定性高。研究人員使用特殊熔爐在碳化硅晶圓上生長(zhǎng)石墨烯，取得另一突破。他們生產(chǎn)了外延石墨烯，在碳化硅晶面上生長(zhǎng)出單層石墨烯。他們發(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。此外，其可以承受高電流，且在高溫環(huán)境中不會(huì)分解。

圖：Nature 雜志

三、研究前景

研究團(tuán)隊(duì)表明，石墨烯半導(dǎo)體的電子以非常低的阻力移動(dòng)，效率更高，且升溫較慢，但移動(dòng)速度更快，實(shí)現(xiàn)了高遷移率。目前，其是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，且電學(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。外延石墨烯將引起電子領(lǐng)域的范式轉(zhuǎn)變，并利用其獨(dú)特特性實(shí)現(xiàn)全新技術(shù)突破。此外，利用其電子的量子力學(xué)波特性，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算飛躍發(fā)展。