從“0”到“1”的突破！中美聯(lián)合團(tuán)隊(duì)制成世界首個(gè)功能性石墨烯半導(dǎo)體
【化工儀器網(wǎng) 時(shí)事熱點(diǎn)】石墨烯是碳的同素異形體，具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來(lái)革命性的材料。石墨烯是一種極好的導(dǎo)電體，并且耐熱、耐酸，且在電勢(shì)方面具有比硅更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，科學(xué)家們一直試圖將它與其他碳材料結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)出一種與現(xiàn)有半導(dǎo)體相比耗能更少、工作速度更快的新型芯片。
然而，石墨烯獨(dú)特的狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了零帶隙的特性。“零帶隙”特性正是困擾石墨烯研究者數(shù)十年的難題。如何打開(kāi)帶隙，成為開(kāi)啟“石墨烯電子學(xué)”大門(mén)的“關(guān)鍵鑰匙”。
天津大學(xué)教授馬雷聯(lián)合美國(guó)佐治亞理工學(xué)院Walter de Heer團(tuán)隊(duì)，在保證石墨烯優(yōu)良特性的前提下，打開(kāi)了石墨烯帶隙，首次制成了可擴(kuò)展的半導(dǎo)體石墨烯，攻克了長(zhǎng)期以來(lái)阻礙石墨烯電子學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題。研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了從“0”到“1”的突破，這一突破被認(rèn)為是開(kāi)啟石墨烯芯片制造領(lǐng)域大門(mén)的重要里程碑。這可能為制造比現(xiàn)在的硅芯片速度更快、效率更高的新型計(jì)算機(jī)鋪平道路。
研究人員通過(guò)在石墨烯中引入帶隙，展示了一種可以控制電流開(kāi)關(guān)的晶體管。由于該技術(shù)與制造硅芯片的技術(shù)相同，因此該工藝或更有利于擴(kuò)大規(guī)模。研究人員使用了加熱的碳化硅晶片，使硅在碳之前蒸發(fā)，有效地在表面留下一層石墨烯。這種半導(dǎo)體石墨烯的電子遷移率遠(yuǎn)超硅材料，表現(xiàn)出了十倍于硅的性能，并且擁有硅材料所不具備的獨(dú)特性質(zhì)。研究人員表示“這就像在礫石路上開(kāi)車(chē)和在高速公路上開(kāi)車(chē)一樣。”
在本次天津大學(xué)天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國(guó)際研究中心的突破性研究中，具有帶隙的半導(dǎo)體石墨烯為高性能電子器件帶來(lái)了全新的材料選擇。這種半導(dǎo)體的發(fā)展不僅為超越傳統(tǒng)硅基技術(shù)的高性能電子器件開(kāi)辟了新道路，還為整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)注入了新動(dòng)力。隨著摩爾定律所預(yù)測(cè)的極限日益臨近，半導(dǎo)體石墨烯的出現(xiàn)恰逢其時(shí)，預(yù)示著電子學(xué)領(lǐng)域即將迎來(lái)一場(chǎng)根本性的變革，其突破性的屬性滿(mǎn)足了對(duì)更高計(jì)算速度和微型化集成電子器件不斷增長(zhǎng)的需求。
相關(guān)研究成果論文《Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide(碳化硅上生長(zhǎng)的超高遷移率半導(dǎo)體外延石墨烯)》1月3日在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際期刊《Nature(自然)》。
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