中美團隊制成世界首個功能性石墨烯半導體

　　天津大學教授馬雷聯合美國佐治亞理工學院Walter de Heer團隊，首次制成了可擴展的半導體石墨烯，這可能為制造比現在的硅芯片速度更快、效率更高的新型計算機鋪平道路。

　　石墨烯是一種由單層碳原子制成的材料，在同等厚度下，它比鋼更堅固。它是一種極好的導電體，并且耐熱、耐酸。盡管石墨烯半導體具有諸多優勢，科學家一直未能研制出一種可以隨意控制導電或絕緣的石墨烯半導體。這種半導體是制造計算機邏輯芯片的關鍵。

　　問題在于缺乏所謂的帶隙。半導體有高能帶和低能帶，還有一個點——帶隙，在這個點上，被激發的電子可以從一個能量帶躍遷到另一個。這可以有效地打開和關閉電流，從而控制導電開關，這也創造了數字計算機中使用的二進制系統。

　　雖然之前的研究表明，石墨烯可以在小范圍內發揮半導體的作用，但它從未被放大到足以制造計算機芯片的尺寸。早期研究表明，石墨烯薄片上的褶皺、圓丘和孔洞會對電流產生不同尋常的影響，從而有可能通過設計合適的缺陷來制造邏輯芯片。但到目前為止，仍沒有擴大相關規模。

　　研究人員通過在石墨烯中引入帶隙，展示了一種可以控制電流開關的晶體管。由于該技術與制造硅芯片的技術相同，因此該工藝或更有利于擴大規模。

　　研究人員使用了加熱的碳化硅晶片，使硅在碳之前蒸發，有效地在表面留下一層石墨烯。研究人員表示，石墨烯半導體的電學性能遠遠好于硅芯片。“這就像在礫石路上開車和在高速公路上開車一樣。”

　　硅芯片的制造成本很低，而且有全球龐大的制造基礎設施作為后盾，但目前硅芯片已逼近極限。摩爾定律指出，電路中晶體管的數量大約每兩年翻一番，但近年來微型化的速度已經放緩，工程師們已經達到了電路密度極限，超過這個密度，電子就無法可靠地控制了。雖然石墨烯電路可以重振希望，但障礙依然存在。

　　英國薩里大學David Carey對這一最新進展是否意味著硅芯片會很快轉向石墨烯芯片持懷疑態度，一方面是因為新的研究需要在晶體管尺寸、質量和制造技術方面進行大量改進，另一方面是因為硅芯片具有領先優勢。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06811-0