中外科學(xué)家用石墨烯制成世界首個功能半導(dǎo)體，石墨烯半導(dǎo)體的電子遷移率是硅的10倍。

中外科學(xué)家用石墨烯制成了世界首個功能半導(dǎo)體，石墨烯半導(dǎo)體的電子遷移率是硅的10倍。這種新型半導(dǎo)體可用于制造更小更快的電子設(shè)備，抑或用于量子計算。相關(guān)研究當(dāng)?shù)貢r間1月3日發(fā)布在《自然》雜志上。

半導(dǎo)體是在特定條件下導(dǎo)電的材料，是電子設(shè)備的基本部件。而石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)材料，只有一個碳原子厚度，屬于二維材料。石墨烯在自然形態(tài)下既非半導(dǎo)體也非金屬。

美國佐治亞理工學(xué)院物理學(xué)教授瓦爾特·德希爾（Walter de Heer）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)了一種石墨烯半導(dǎo)體。這種半導(dǎo)體與傳統(tǒng)的微電子加工方法兼容，這也是替代硅的必要條件。

瓦爾特·德希爾在職業(yè)生涯早期就開始探索碳基材料的半導(dǎo)體潛力，2001年轉(zhuǎn)向石墨烯研究。他表示，石墨烯是一種非常堅固的材料，可處理非常大的電流，他希望將石墨烯的特性引入電子學(xué)。

研究團隊生產(chǎn)了一種生長在碳化硅晶體表面的單晶石墨烯，也就是外延石墨烯。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)制作得當(dāng)時，外延石墨烯與碳化硅產(chǎn)生化學(xué)鍵合，并顯示半導(dǎo)體特性。在接下來的十年里，他們在佐治亞理工學(xué)院完善這種材料，后來又與天津大學(xué)天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心合作。

研究人員把原子放在石墨烯上，通過摻雜電子來觀察材料是否為良導(dǎo)體。測量發(fā)現(xiàn)，石墨烯半導(dǎo)體的電子遷移率是硅的10倍，也就是說，電子以非常低的電阻移動，這在電子學(xué)中意味著更快的計算速度。“這就像在礫石路上開車和在高速公路上開車一樣。”瓦爾特·德希爾表示。

“帶隙”是允許半導(dǎo)體開關(guān)的關(guān)鍵電子特性，當(dāng)施加電場時它可以打開或關(guān)閉，這也是所有晶體管和硅電子的工作原理。石墨烯缺乏固有帶隙，石墨烯電子學(xué)研究的主要問題是如何打開和關(guān)閉它，使它能像硅一樣工作。天津大學(xué)天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心教授、論文合著者馬雷表示，團隊的技術(shù)實現(xiàn)了帶隙，這也是實現(xiàn)石墨烯電子學(xué)的關(guān)鍵一步。

佐治亞理工學(xué)院表示，該團隊研發(fā)的石墨烯半導(dǎo)體是目前用于納米電子學(xué)時唯一具備所有必要特性的二維半導(dǎo)體，其電學(xué)特性遠優(yōu)于目前正在開發(fā)的其他任何二維半導(dǎo)體。外延石墨烯或?qū)е码娮訉W(xué)領(lǐng)域的范式轉(zhuǎn)變，這種材料可以利用電子的量子力學(xué)波動特性，這也是量子計算的必要條件。

被譽為“石墨烯之父”的諾貝爾物理學(xué)獎得主安德烈·蓋姆（Andre Geim）2022年時曾對澎湃科技（www.thepaper.cn）表示，石墨烯是一大類材料的“昵稱”，這些材料在不同行業(yè)都有潛力，例如石墨烯被譽為推動電子工業(yè)發(fā)展的新材料。現(xiàn)在，人們相信在電子工業(yè)的某些領(lǐng)域，這種材料比硅要更有優(yōu)勢。“雖然目前似乎沒有任何革命性的應(yīng)用，但在未來，通過不斷改進，將進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量從而實現(xiàn)革命性應(yīng)用……但我們?nèi)匀恍枰?0年甚至20年。”