生長在碳化硅襯底芯片上的石墨烯器件。圖片來源：佐治亞理工學院
天津大學教授馬雷團隊聯(lián)合美國佐治亞理工學院教授Walter de Heer團隊，首次研制出可擴展的半導體石墨烯，這可能為開發(fā)一種速度更快、效率更高的新型計算機鋪平道路。科學家在1月3日的《自然》報告了這一研究成果。
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固。它是一種極好的導電體，并且耐熱、耐酸。盡管石墨烯半導體具有諸多優(yōu)勢，科學家卻一直未能研制出一種可以隨意控制導電或絕緣的石墨烯半導體，而這樣的半導體是制造計算機邏輯芯片的關(guān)鍵。
問題就出在缺乏所謂帶隙。半導體除了有高能帶和低能帶外，還有一個點——帶隙。在這個點上，被激發(fā)的電子可以從一個能量帶躍遷到另一個能量帶。這可以有效打開和關(guān)閉電流，從而控制導電開關(guān)，同時創(chuàng)造了數(shù)字計算機中使用0和1的二進制系統(tǒng)。
雖然之前的研究表明，石墨烯可以在小范圍內(nèi)發(fā)揮半導體的作用，但它從未被放大到足以制造計算機芯片的尺寸。早期研究表明，石墨烯薄片上的褶皺、圓丘和孔洞會對電流產(chǎn)生不同尋常的影響，從而有可能通過設計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)模仍然難以擴大。
在這項新研究中，研究人員通過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。由于該技術(shù)與制造硅芯片的技術(shù)沒有什么不同，因此這種工藝或更有利于規(guī)?；a(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，石墨烯半導體的電學性能遠遠好于硅芯片。De Heer說：“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設施作為后盾，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)量大約每兩年翻一番，但近年來微型化的速度已經(jīng)放緩，因為工程師已使電路密度達到了極限，超過這個密度，電子就無法可靠地控制。雖然石墨烯電路可以重振希望，但障礙依然存在。
英國薩里大學David Carey對這一最新進展是否意味著硅芯片會很快轉(zhuǎn)向石墨烯芯片持懷疑態(tài)度，一方面是因為新的研究需要在晶體管尺寸、質(zhì)量和制造技術(shù)方面進行大量改進，另一方面是因為硅芯片具有領先優(yōu)勢。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06811-0
