揭秘全球首创石墨烯半导体的诞生过程

佐治亚理工学院的科学家开发出了世界上第一个由石墨烯制成的功能半导体。石墨烯的特点是由可用最强键连接的单层碳原子，是这一进步的基础。半导体是在特定条件下允许电流流动的重要材料，对于电子设备的运行至关重要。该团队的突破为电子产品的新方式打开了大门。

他们的发现正值硅——几乎所有现代电子产品的制造材料——面对越来越快的计算和越来越小的电子设备而达到其极限。佐治亚理工学院物理学教授 Walter de Heer 带领来自佐治亚州亚特兰大和中国天津的研究团队生产出一种与传统微电子加工方法兼容的石墨烯半导体——这是任何可行的替硅代品的必要条件。

在这项发表在《自然》杂志上的最新研究中，德赫尔和他的团队克服了几十年来困扰石墨烯研究的最大障碍，也是许多人认为石墨烯电子器件永远无法工作的原因。它被称为“带隙”，是一种至关重要的电子特性，可以让半导体打开和关闭。直到现在，石墨烯还没有带隙。

“我们现在拥有一种极其坚固的石墨烯半导体，其迁移率是硅的 10 倍，并且还具有硅所不具备的独特性能，”de Heer 说。“但我们过去 10 年的工作故事一直是，‘我们能否让这种材料足够好以发挥作用？’”

新型半导体

De Heer 在职业生涯的早期就开始探索碳基材料作为潜在的半导体，然后在 2001 年转向探索二维石墨烯。当时他知道石墨烯在电子领域具有潜力。

“我们希望将石墨烯的三种特殊性能引入电子产品中，”他说。“它是一种极其坚固的材料，可以处理非常大的电流，并且不会升温和分解。”

当德赫尔和他的团队弄清楚如何使用特殊熔炉在碳化硅晶圆上生长石墨烯时，他取得了突破。他们生产了外延石墨烯，这是在碳化硅晶面上生长的单层。研究小组发现，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。

在接下来的十年里，他们在佐治亚理工学院坚持完善这种材料，后来又与中国天津大学天津国际纳米颗粒与纳米系统中心的同事合作。De Heer 于 2014 年与中心主任、论文合著者马雷（音译）共同创立了该中心。

他们是如何做到的

在其自然形式下，石墨烯既不是半导体也不是金属，而是半金属。带隙是一种在施加电场时可以打开和关闭的材料，这就是所有晶体管和硅电子器件的工作原理。石墨烯电子学研究的主要问题是如何打开和关闭它，以便它可以像硅一样工作。

但要制造功能性晶体管，必须对半导体材料进行大量操作，这可能会损害其性能。为了证明他们的平台可以作为可行的半导体发挥作用，该团队需要在不损坏它的情况下测量其电子特性。

他们将原子放在石墨烯上，向系统“捐赠”电子——一种称为掺杂的技术，用于查看该材料是否是良好的导体。它的工作不会损坏材料或其特性。

该团队的测量表明，他们的石墨烯半导体的迁移率是硅的 10 倍。换句话说，电子以非常低的阻力移动，这在电子学中意味着更快的计算。“这就像在碎石路上行驶与在高速公路上行驶一样，”德希尔说。“它效率更高，升温幅度不大，并且速度更高，因此电子可以移动得更快。”

该团队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发的任何其他二维半导体。

“石墨烯电子学中长期存在的问题是石墨烯没有合适的带隙，并且无法以正确的比率打开和关闭，”马说。“多年来，许多人尝试用各种方法来解决这个问题。我们的技术实现了带隙，是实现基于石墨烯的电子产品的关键一步。”

向前进

外延石墨烯可能会引起电子领域的范式转变，并允许利用其独特特性的全新技术。该材料允许利用电子的量子力学波特性，这是量子计算的要求。

“我们开发石墨烯电子产品的动机已经存在很长时间了，剩下的只是让它发生，”德希尔说。“我们必须学习如何处理材料，如何使其变得越来越好，最后如何测量其性能。这花了非常非常长的时间。”

德赫尔表示，新一代电子产品即将问世并不罕见。在硅出现之前，就有了真空管，在此之前，就有了电线和电报机。硅是电子学历史上众多进步之一，下一步可能是石墨烯。

“对我来说，这就像莱特兄弟的时刻，”德希尔说。“他们建造了一架可以在空中飞行 300 英尺的飞机。但怀疑论者质疑，既然世界已经有了高速火车和轮船，为什么还需要飞行呢？但他们坚持了下来，这是一项可以带人们跨越海洋的技术的开始。”

审核编辑：黄飞