石墨烯是一種單層碳結構，以其堅固的鍵而聞名，石墨烯比同等厚度的鋼更堅固，耐熱、耐化學腐蝕，并且是極好的電導體。盡管石墨烯有諸多優點，但研究人員仍無法制造出可以選擇性導電或絕緣的功能性石墨烯半導體。

　　當研究人員將傳統半導體的基本特征與石墨烯的特性進行比較時，結果表明，石墨烯無法正確“打開”和“關閉”，因為它缺乏所需的能隙。佐治亞理工學院的研究團隊利用專門的熔爐，花了 10 年時間在碳化硅 (SIC) 晶片上完善石墨烯。

　　研究人員在《自然》雜志上發表的一篇論文中報告稱，單晶 SiC 上的表觀石墨烯半導體 (SEG)的帶隙為 0.6 eV，室溫遷移率超過 5,000 cm 2 V-1 s-1，遷移率比硅高 10 倍，比其他二維半導體高 20 倍。

　　研究人員表示，他們開發的石墨烯半導體是迄今為止唯一具備納米電子所需所有特性的二維平臺。石墨烯半導體與標準微電子加工方法兼容，這是任何可行的硅替代品的基本要求。

　　挑戰

　　晶體管的極度縮小是半導體制造面臨的重大挑戰。更小的晶體管帶來了更多問題，包括允許電子遷移的隔離屏障，這可能導致電流泄漏、更高的功耗和芯片過熱。過熱問題加劇的原因是隨著幾何尺寸縮小，晶體管密度不斷上升。量子效應在原子級晶體管層面上變得明顯，導致器件行為不確定。

　　昂貴而復雜的生產工藝進一步限制了制造能力。制造工藝越復雜，出錯的概率就越大，產量就越低。極紫外 (EUV) 光刻技術就體現了這種復雜性。因此，業界正努力通過尋找半導體制造工藝的新方法來協調大幅縮小晶體管尺寸的好處與相關的技術挑戰。

　　半導體材料

　　佐治亞理工學院的突破預示著一種全新的電子學方法，而這種突破更為重要，因為作為當代電子學的基石，硅在速度和小型化方面面臨限制。佐治亞理工學院物理學教授沃爾特·德希爾 (Walter de Heer ) 領導的亞特蘭大和天津團隊報告稱，他們成功開發出一種與標準微電子處理方法兼容的石墨烯半導體。

　　德希爾表示，他一直對石墨烯寄予厚望，這是一種非常有彈性的材料，可以承受非常高的電流而不會過熱和降低其功能。在他早期對碳基材料作為可能的半導體的研究中，他專注于二維石墨烯。

　　De Heer 和他的佐治亞理工學院同事首先想出了如何使用獨特的結構在 SiC 晶片上制造石墨烯。他們成功制造出外延石墨烯，即在 SiC 結晶面上生長的單層石墨烯。研究人員發現，當外延石墨烯正確合成時，它會在化學上粘附在 SiC 上并開始顯示出半導體的跡象。

　　佐治亞理工學院和天津大學天津國際納米粒子與納米系統研究中心的合作使得大量研究成為可能。

　　在自然狀態下，石墨烯是一種半金屬，既不是金屬也不是半導體。當電場施加到寬帶材料上時，它可能會打開和關閉。在實際的石墨烯電子研究中，關鍵問題是如何打開和關閉石墨烯，使其性能像硅一樣，從而像我們熟悉的晶體管一樣。

　　然而，要制造出可以工作的晶體管，需要對相關材料進行大量加工。在不損壞半導體的情況下測量其電氣特性是確保其實用性和功能性的關鍵。

　　所謂的帶隙的缺失一直是個問題。半導體的特點是存在上能帶和下能帶，以及一個稱為帶隙的點，激發電子可以從一個能帶傳遞到另一個能帶。這產生了數字計算機中使用的二進制 0 和 1，因為它可以打開和關閉電流，使系統導電或不導電。

　　研究人員表示，他們通過向材料中添加供體原子(向系統中釋放電子的原子)來摻雜石墨烯。這種方法非常成功，不會對物質或其屬性造成任何損害。該團隊的測量結果顯示，所得石墨烯的遷移率是硅的 10 倍。

　　研究人員聲稱，他們已經開發出迄今為止唯一一種具備納米電子學所有必要特性的二維半導體。他們進一步表示，他們的半導體的電性能明顯優于目前正在開發的任何其他二維半導體。

　　可擴展性

　　由于與硅芯片制造過程相似，德希爾和他的同事開發的技術有望實現更容易獲得的可擴展性潛力。

　　硅芯片一直是技術進步的驅動力，這要歸功于其廣泛確立的成本結構和維持全球龐大工業基礎設施的能力。然而，我們正在接近硅可擴展性的極限。摩爾定律指出，電子領域的驅動力之一是電路中晶體管的數量每兩年翻一番。然而，近年來，隨著工程師們已經接近電路密度，有效調節電子變得具有挑戰性，這種擴展速度有所放緩。

　　最初，SiC 通過蒸發產生石墨烯多層，其中第一層石墨層用作部分與 SiC 結合的絕緣外延石墨烯。該層表現出半導體特性，但受到無序性的阻礙。一種新穎的準平衡退火技術可以改進 SEG，使其晶格與 SiC 對齊，并使其具有抗化學、機械和熱應力的能力。使用標準半導體制造方法將 SEG 與半金屬外延石墨烯集成和圖案化，可增強其在納米電子學中的適用性。

　　未來展望

　　雖然石墨烯電路前景光明，但其廣泛應用仍面臨重大障礙。解決這些挑戰對于充分利用石墨烯的技術優勢至關重要。德赫爾團隊的創新方法可擴展且突破了硅芯片的限制，為電子產品的未來帶來了希望。

　　如今，石墨烯首次被用于構建功能性和可擴展性的半導體，這可能導致開發出一種比硅處理器更快、更高效的新型計算機。盡管先前的研究表明石墨烯可以在微小尺度上充當半導體，但石墨烯從未生長到可以生產計算機芯片的水平。

　　科學家表示，這不僅是第一種由石墨烯制成的功能性半導體，而且可以利用當前的生產工藝來制造它。科學家表示，從生產硅晶片轉向生產碳化硅晶片是“相當可行的”，碳化硅晶片可用于制造外延石墨烯。

　　研究人員在《自然》雜志的論文中提出，石墨烯基半導體未來可能在量子計算中得到應用。與光類似，石墨烯的電子具有量子波特性，這使其可用于電子產品，尤其是在極低溫度下。

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