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世界首个石墨烯制成的功能半导体问世:为开发全新电子产品打开大门
2024-01-05   浏览量:115

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。

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。

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。”


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