科学家们创造了第一个石墨烯功能半导体

目前，我们使用的芯片主要是硅芯片，也就是说，芯片是由硅材料制成的。随着电子产品越来越小，芯片也越来越小。这给硅芯片带来了一个问题：硅芯片不能再小，电子管也不能再小。

用石墨烯代替硅

由于硅芯片已经陷入瓶颈，许多科学家关注其他材料来解决问题。天津大学和佐治亚理工学院的联合研究团队开发了世界上第一个石墨烯功能半导体。该研究发表在 2024 年 1 月 3 日本的《自然》杂志。

石墨烯是高质量的芯片材料，甚至是各种半导体材料的候选人，但为什么在过去的几十年里没有人使用石墨烯作为芯片呢？原因是石墨烯没有合适的带间隙，换句话说，石墨烯不能像其他材料的半导体元件那样通过额外的电压或光来控制电流开关。这限制了石墨烯元件的使用。

为此，中美研究团队想到了一个特殊的“熔炉”—— 准平衡退火方法。利用这种特殊的熔炉，研究团队在碳化硅晶圆上生长石墨烯并延伸石墨烯，使石墨烯具有类似半导体的特性。最后一块绊脚石被移除，以石墨烯为材料制造芯片。

2011 年，IBM 该公司开发了世界上第一个石墨烯集成电路。该集成电路用于无线电收音机，但研发人员仍未解决间隙问题。（图片来源：IBM）

摩尔定律不会结束

1965 年，英特尔的联合创始人戈登・摩尔（Goldon Moore）预测处理器的计算速度每两年翻一番左右。这就是“摩尔定律”。

摩尔定律只是当时摩尔的一个预测，但计算机行业的发展确实是基于摩尔的预测。电子元件越来越小，使用的芯片越来越小，但芯片的速度越来越快。然而，花不是一百天的红色，一切都有一定的程度。芯片的开发也是如此，因为集成在芯片上的晶体管的尺寸已经接近极限，不再小，否则会受到量子效应的干扰。

所以问题是，对于目前的硅基芯片，晶体管不能再小，芯片不能集成更多的晶体管，如何继续提高芯片的速度？摩尔定律即将结束吗？

因此，科学家们开始寻找新的替代品。中美科学家开发的第一个石墨烯功能半导体可以完美地解决这个问题。经研究团队测量，石墨烯功能半导体在室温下的迁移率高达 5000cm² /Vs，比硅基半导体高 10 与其他二维半导体相比，倍也高 20 倍。而且，它的带隙是 0.6eV，完全克服了石墨烯材料带隙的问题。

更高的迁移率意味着更快的切换速度。换句话说，如果芯片是由石墨烯制成的，芯片的计算速度会更快，GPU、CPU 这种设备可以更有效地完成任务。

佐治亚理工学院物理学教授沃尔特是本研究的负责人之一・德・黑尔（Walter de Heer）用这样一个比喻来描述石墨烯功能半导体的优点。他将石墨烯功能半导体与高速公路进行了比较，而硅基半导体等其他半导体则是石路。显然，在高速公路上行驶效率更高，车辆不会升温太快，更重要的是，速度更快。

然后，如果芯片是用石墨烯制成的，芯片会有更快的速度。这样，就没有必要在有限尺寸的芯片上集成更多的晶体管。换句话说，摩尔定律不会结束。

不仅如此，石墨烯材料在化学性能、机械性能和热性能方面也比传统材料更有优势。

声明：转载此文是出于传递更多信息之目的。若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请与我们联系，我们将及时更正、删除，谢谢。

查看全文

作者最近更新