世界首个石墨烯制成的功能半导体问世

封面新闻记者 车家竹

日前，美国佐治亚理工学院和天津大学组成的研究团队创造了世界上第一个由石墨烯制成的功能半导体。利用外延石墨烯与碳化硅发生化学键合，表现出半导体特性。测量表明，石墨烯半导体的迁移率是硅的10倍，它的诞生为突破传统硅基半导体的性能极限打开了新的大门……

何为石墨烯？

一种未来革命性的材料

记者查阅资料发现，石墨烯是碳的同素异形体，利用石墨烯这种晶体结构可以构建碳纳米管、纳米带、多壁碳纳米管，它具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被专家认为是一种未来革命性的材料。

石墨烯构建富勒烯、碳纳米管示意图

英国曼彻斯特大学物理学家：安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，由于成功从石墨中分离出石墨烯，获得2010年度诺贝尔物理学奖。石墨烯从此进入大众视野，成为材料家族中光芒四射的“新星”。

在材料大家族中，石墨烯只是个“晚辈”，但石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义，它使得此前一些只能在理论上进行论证的量子效应可以通过实验进行验证。在二维的石墨烯中，电子的质量仿佛是不存在的，这种性质使石墨烯成为了一种罕见的可用于研究相对论量子力学的凝聚态物质—因为无质量的粒子必须以光速运动，从而必须用相对论量子力学来描述。

近年来，石墨烯的研究与应用开发持续升温，研究者们致力于在不同领域尝试不同方法以求制备高质量、大面积石墨烯材料。通过对石墨烯制备工艺的不断优化和改进，降低石墨烯制备成本使其优异的材料性能得到更广泛的应用，并逐步走向产业化。

如何做到？

石墨烯“搭载”半导体

虽然石墨烯在未来微电子学领域有极大的应用前景，但是其零带隙的特点阻碍了石墨烯在半导体领域的应用，这种电子结构会严重影响到气体分子在其表面上的作用。石墨烯没有合适的带隙，就无法以正确的比率打开和关闭，导致不能在半导体领域直接应用，也对其在电子应用中的可行性产生疑虑，这也是石墨烯电子学中长期存在的问题。多年来，许多研究者尝试用各种方法来解决这个问题。

石墨烯和碳化硅的分子模型

直到今天，这个问题才得以突破。研究团队使用特殊熔炉在碳化硅晶圆上生长石墨烯时，生产了外延石墨烯，这是在碳化硅晶面上生长的单层，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。

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。

研究团队将原子放在石墨烯上，利用掺杂技术向系统“捐赠”电子，用于查看该材料是否是良好的导体。测量表明，他们的石墨烯半导体的迁移率是硅的10倍，在这个过程中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”。研究人员沃尔特-德-希尔表示，它效率更高，升温幅度不大，并且速度更高，因此电子可移动得更快。

新开发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。同时，研究人员还补充道：“外延石墨烯可能会引起电子领域的范式转变，并导致利用其独特特性的全新技术，这种材料允许利用电子的量子力学波特性，从而满足量子计算的要求。”

石墨烯器件生长在碳化硅衬底芯片上

石墨烯研究

为开发全新电子产品打开大门

作为新兴材料，石墨和石墨烯有关的材料被广泛应用在半导体器件，鉴于石墨烯材料优异的性能及其潜在的应用价值，在众多学科领域取得了一系列重要进展。它被认为是最理想的电极和半导体材料，其最佳、最具潜力的应用是成为“硅”的替代品。

对此，资深产业经济观察家梁振鹏表示：“石墨烯有可能代替硅成为未来的微电子材料，其主要优势在于更高的电子迁移速度、更低的功耗和柔性特点。然而，要实现石墨烯在微电子领域的广泛应用，还需解决生产成本、工艺技术等问题。”

值得一提的是，该篇论文的共同第一作者以及其余多位署名作者主要来自中国天津大学研究团队，在整个研究中天津大学团队承担主要研究与攻关工作。

“对石墨烯的研究，我国虽起步相对较晚，研究跟进却很快，目前在石墨烯研究方面取得了显著成果，处于世界范围内的第一梯队。近年来，我国科学家在石墨烯制备、应用等方面取得了突破性进展，已有部分领域达到国际领先水平。”对于石墨烯的发展，梁振鹏补充道。

石墨烯结构图

细看石墨烯，碳原子紧密排列成蜂窝状结构，外观呈完美的对称正六边形，各个碳原子之间的连接柔韧，即使受到外力冲击，也可以通过弯曲变形来维持结构温度。这个“改变21世纪的神奇材料”，正在大放异彩……

（图片来源于网络）