研究人员成功创建了世界上第一块由石墨烯制成的功能性半导体

研究人员在美国佐治亚理工学院成功创建了世界上第一块由石墨烯制成的功能性半导体，石墨烯是由最强结合力的碳原子单层组成的材料。半导体是在特定条件下导电的材料，是电子设备的基础组件。该团队的突破为一种新型电子技术打开了大门。

这一发现正值硅，即几乎所有现代电子设备都由其制成的材料，面临着日益迅速的计算和更小的电子设备的挑战。

佐治亚理工学院物理学教授Walter de Heer领导了一支研究团队，该团队总部位于美国佐治亚州亚特兰大市和中国天津，成功制造出一种与传统微电子加工方法兼容的石墨烯半导体，这对于硅的任何可行替代品都是必要的。

在最新的研究中，发表在《自然》杂志上，de Heer及其团队克服了困扰石墨烯研究几十年的至关重要的障碍，也是许多人认为石墨烯电子将永远无法工作的原因，即“能隙”。这是一个关键的电子属性，使半导体能够开关。直到现在，石墨烯都没有能隙。

"我们现在拥有了一种极其强大的石墨烯半导体，其迁移率是硅的10倍，而且还具有硅中不可用的独特特性，" de Heer说道。“但过去10年来我们工作的故事一直是：‘我们能使这种材料足够好以便工作吗？’”

一种新型半导体De Heer早在他的职业生涯初期就开始探索碳基材料作为潜在的半导体，然后在2001年转向探索二维石墨烯。当时他就知道石墨烯在电子方面有潜力。

“我们受到了希望将石墨烯的三个特殊属性引入电子技术中的启发，”他说。“它是一种极其强大的材料，可以处理非常大的电流，而且可以在不发热和破裂的情况下完成。”

De Heer取得突破的关键在于他和他的团队想出了如何利用特殊炉子在碳化硅晶圆上生长石墨烯。他们制造了外延石墨烯，这是一层生长在碳化硅晶体表面的单层。该团队发现，当它制备得当时，外延石墨烯与碳化硅化学结合并开始显示半导体特性。

在接下来的十年里，他们在佐治亚理工学院不断完善这一材料，并与中国天津大学国际纳米颗粒与纳米系统中心的同事合作。De Heer于2014年与该中心的主任和论文的共同作者Lei Ma共同创立了该中心。

他们是如何做到的在其自然形式中，石墨烯既不是半导体也不是金属，而是半金属。能隙是一种在对其施加电场时可以打开和关闭的材料，这是所有晶体管和硅电子工作的方式。石墨烯电子研究的主要问题是如何使其像硅一样打开和关闭，以便它能够像硅一样工作。

但要制造一种功能性的晶体管，半导体材料必须经过大幅度的加工，这可能会损坏其性质。为了证明他们的平台能够作为可行的半导体，团队需要测量其电子性质而不损害它。

他们在石墨烯上放置了“捐赠”电子给系统的原子—这是一种称为掺杂的技术，用于查看该材料是否是良好的导体。这种方法在不损害材料或其性质的情况下奏效。

该团队的测量显示，他们的石墨烯半导体的迁移率是硅的10倍。换句话说，电子以非常低的电阻移动，这在电子学中转化为更快的计算。“这就像在碎石路上开车与在高速公路上开车一样，”de Heer说。“它更有效率，不会发热那么多，而且它允许更高的速度，因此电子可以更快地移动。”

该团队的产品目前是唯一具有用于纳米电子中所有必要特性的二维半导体，其电气性能远远优于目前正在开发中的任何其他二维半导体。

“石墨烯电子领域的一个长期问题是石墨烯没有正确的能隙，不能按照正确的比例打开和关闭，”马说。“多年来，许多人尝试用各种方法解决这个问题。我们的技术实现了这一能隙，是实现基于石墨烯的电子的关键一步。”

展望未来外延石墨烯可能引发电子领域的范式转变，并允许利用其独特特性的全新技术的出现。该材料允许电子的量子机械波特性被利用，这是量子计算的一个要求。

“我们进行石墨烯电子研究的动机已经存在很长时间，其余的就是让它发生，”de Heer说。“我们必须学会如何处理这种材料，如何使它变得越来越好，最终如何测量其性质。这需要很长时间。”

根据de Heer的说法，看到另一代电子产品即将到来并不罕见。在硅之前，有真空管，再之前有电线和电报。硅是电子历史上的众多步骤之一，而下一步可能就是石墨烯。

“对我来说，这就像是莱特兄弟的时刻，”de Heer说。“他们造了一架能在空中飞行300英尺的飞机。但怀疑论者问为什么世界需要飞行，当时已经有快速的火车和船了。但他们坚持了下来，这是一项可以让人们跨越海洋的技术的开始。”