天津大學(xué)教授馬雷團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國(guó)佐治亞理工學(xué)院教授Walter de Heer團(tuán)隊(duì)，首次研制出可擴(kuò)展的半導(dǎo)體石墨烯，這可能為開發(fā)一種速度更快、效率更高的新型計(jì)算機(jī)鋪平道路?？茖W(xué)家在1月3日的《自然》報(bào)告了這一研究成果。
生長(zhǎng)在碳化硅襯底芯片上的石墨烯器件。圖片來(lái)源：佐治亞理工學(xué)院
石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的材料，在同等厚度下比鋼更堅(jiān)固。它是一種極好的導(dǎo)電體，并且耐熱、耐酸。盡管石墨烯半導(dǎo)體具有諸多優(yōu)勢(shì)，科學(xué)家卻一直未能研制出一種可以隨意控制導(dǎo)電或絕緣的石墨烯半導(dǎo)體，而這樣的半導(dǎo)體是制造計(jì)算機(jī)邏輯芯片的關(guān)鍵。
問(wèn)題就出在缺乏所謂帶隙。半導(dǎo)體除了有高能帶和低能帶外，還有一個(gè)點(diǎn)——帶隙。在這個(gè)點(diǎn)上，被激發(fā)的電子可以從一個(gè)能量帶躍遷到另一個(gè)能量帶。這可以有效打開和關(guān)閉電流，從而控制導(dǎo)電開關(guān)，同時(shí)創(chuàng)造了數(shù)字計(jì)算機(jī)中使用0和1的二進(jìn)制系統(tǒng)。
雖然之前的研究表明，石墨烯可以在小范圍內(nèi)發(fā)揮半導(dǎo)體的作用，但它從未被放大到足以制造計(jì)算機(jī)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(huì)對(duì)電流產(chǎn)生不同尋常的影響，從而有可能通過(guò)設(shè)計(jì)合適的缺陷制造邏輯芯片。但到目前為止，石墨烯的生產(chǎn)規(guī)模仍然難以擴(kuò)大。
在這項(xiàng)新研究中，研究人員通過(guò)在石墨烯中引入帶隙，展示了一種可以控制電流開關(guān)的晶體管，這種開關(guān)可以阻止或允許電流通過(guò)。由于該技術(shù)與制造硅芯片的技術(shù)沒(méi)有什么不同，因此這種工藝或更有利于規(guī)模化生產(chǎn)。
研究人員使用了加熱的碳化硅晶片，迫使硅在碳之前蒸發(fā)，從而有效地在表面留下一層石墨烯。研究人員表示，石墨烯半導(dǎo)體的電學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于硅芯片。De Heer說(shuō)：“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(chǔ)設(shè)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(shù)量大約每?jī)赡攴环?，但近年?lái)微型化的速度已經(jīng)放緩，因?yàn)楣こ處熞咽闺娐访芏冗_(dá)到了極限，超過(guò)這個(gè)密度，電子就無(wú)法可靠地控制。雖然石墨烯電路可以重振希望，但障礙依然存在。
英國(guó)薩里大學(xué)David Carey對(duì)這一最新進(jìn)展是否意味著硅芯片會(huì)很快轉(zhuǎn)向石墨烯芯片持懷疑態(tài)度，一方面是因?yàn)樾碌难芯啃枰诰w管尺寸、質(zhì)量和制造技術(shù)方面進(jìn)行大量改進(jìn)，另一方面是因?yàn)楣栊酒哂蓄I(lǐng)先優(yōu)勢(shì)?！ ?br />
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06811-0
資料來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)
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