佐治亞理工學院的科學家開發出了世界上第一個由石墨烯制成的功能半導體。石墨烯的特點是由可用最強鍵連接的單層碳原子，是這一進步的基礎。半導體是在特定條件下允許電流流動的重要材料，對于電子設備的運行至關重要。該團隊的突破為電子產品的新方式打開了大門。

他們的發現正值硅——幾乎所有現代電子產品的制造材料——面對越來越快的計算和越來越小的電子設備而達到其極限。佐治亞理工學院物理學教授 Walter de Heer 帶領來自佐治亞州亞特蘭大和中國天津的研究團隊生產出一種與傳統微電子加工方法兼容的石墨烯半導體——這是任何可行的替硅代品的必要條件。

在這項發表在《自然》雜志上的最新研究中，德赫爾和他的團隊克服了幾十年來困擾石墨烯研究的最大障礙，也是許多人認為石墨烯電子器件永遠無法工作的原因。它被稱為“帶隙”，是一種至關重要的電子特性，可以讓半導體打開和關閉。直到現在，石墨烯還沒有帶隙。

“我們現在擁有一種極其堅固的石墨烯半導體，其遷移率是硅的 10 倍，并且還具有硅所不具備的獨特性能，”de Heer 說。“但我們過去 10 年的工作故事一直是，‘我們能否讓這種材料足夠好以發揮作用？’”

新型半導體

De Heer 在職業生涯的早期就開始探索碳基材料作為潛在的半導體，然后在 2001 年轉向探索二維石墨烯。當時他知道石墨烯在電子領域具有潛力。

“我們希望將石墨烯的三種特殊性能引入電子產品中，”他說。“它是一種極其堅固的材料，可以處理非常大的電流，并且不會升溫和分解。”

當德赫爾和他的團隊弄清楚如何使用特殊熔爐在碳化硅晶圓上生長石墨烯時，他取得了突破。他們生產了外延石墨烯，這是在碳化硅晶面上生長的單層。研究小組發現，當制造得當時，外延石墨烯會與碳化硅發生化學鍵合，并開始表現出半導體特性。

在接下來的十年里，他們在佐治亞理工學院堅持完善這種材料，后來又與中國天津大學天津國際納米顆粒與納米系統中心的同事合作。De Heer 于 2014 年與中心主任、論文合著者馬雷（音譯）共同創立了該中心。

他們是如何做到的

在其自然形式下，石墨烯既不是半導體也不是金屬，而是半金屬。帶隙是一種在施加電場時可以打開和關閉的材料，這就是所有晶體管和硅電子器件的工作原理。石墨烯電子學研究的主要問題是如何打開和關閉它，以便它可以像硅一樣工作。

但要制造功能性晶體管，必須對半導體材料進行大量操作，這可能會損害其性能。為了證明他們的平臺可以作為可行的半導體發揮作用，該團隊需要在不損壞它的情況下測量其電子特性。

他們將原子放在石墨烯上，向系統“捐贈”電子——一種稱為摻雜的技術，用于查看該材料是否是良好的導體。它的工作不會損壞材料或其特性。

該團隊的測量表明，他們的石墨烯半導體的遷移率是硅的 10 倍。換句話說，電子以非常低的阻力移動，這在電子學中意味著更快的計算。“這就像在碎石路上行駛與在高速公路上行駛一樣，”德希爾說。“它效率更高，升溫幅度不大，并且速度更高，因此電子可以移動得更快。”

該團隊的產品是目前唯一具有用于納米電子學的所有必要特性的二維半導體，其電學特性遠遠優于目前正在開發的任何其他二維半導體。

“石墨烯電子學中長期存在的問題是石墨烯沒有合適的帶隙，并且無法以正確的比率打開和關閉，”馬說。“多年來，許多人嘗試用各種方法來解決這個問題。我們的技術實現了帶隙，是實現基于石墨烯的電子產品的關鍵一步。”

向前進

外延石墨烯可能會引起電子領域的范式轉變，并允許利用其獨特特性的全新技術。該材料允許利用電子的量子力學波特性，這是量子計算的要求。

“我們開發石墨烯電子產品的動機已經存在很長時間了，剩下的只是讓它發生，”德希爾說。“我們必須學習如何處理材料，如何使其變得越來越好，最后如何測量其性能。這花了非常非常長的時間。”

德赫爾表示，新一代電子產品即將問世并不罕見。在硅出現之前，就有了真空管，在此之前，就有了電線和電報機。硅是電子學歷史上眾多進步之一，下一步可能是石墨烯。

“對我來說，這就像萊特兄弟的時刻，”德希爾說。“他們建造了一架可以在空中飛行 300 英尺的飛機。但懷疑論者質疑，既然世界已經有了高速火車和輪船，為什么還需要飛行呢？但他們堅持了下來，這是一項可以帶人們跨越海洋的技術的開始。”

審核編輯：黃飛

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