石墨烯是一种单层碳结构，以其坚固的键而闻名，石墨烯比同等厚度的钢更坚固，耐热、耐化学腐蚀，并且是极好的电导体。尽管石墨烯有诸多优点，但研究人员仍无法制造出可以选择性导电或绝缘的功能性石墨烯半导体。

　　当研究人员将传统半导体的基本特征与石墨烯的特性进行比较时，结果表明，石墨烯无法正确“打开”和“关闭”，因为它缺乏所需的能隙。佐治亚理工学院的研究团队利用专门的熔炉，花了 10 年时间在碳化硅 (SIC) 晶片上完善石墨烯。

　　研究人员在《自然》杂志上发表的一篇论文中报告称，单晶 SiC 上的表观石墨烯半导体 (SEG)的带隙为 0.6 eV，室温迁移率超过 5,000 cm 2 V-1 s-1，迁移率比硅高 10 倍，比其他二维半导体高 20 倍。

　　研究人员表示，他们开发的石墨烯半导体是迄今为止唯一具备纳米电子所需所有特性的二维平台。石墨烯半导体与标准微电子加工方法兼容，这是任何可行的硅替代品的基本要求。

　　挑战

　　晶体管的极度缩小是半导体制造面临的重大挑战。更小的晶体管带来了更多问题，包括允许电子迁移的隔离屏障，这可能导致电流泄漏、更高的功耗和芯片过热。过热问题加剧的原因是随着几何尺寸缩小，晶体管密度不断上升。量子效应在原子级晶体管层面上变得明显，导致器件行为不确定。

　　昂贵而复杂的生产工艺进一步限制了制造能力。制造工艺越复杂，出错的概率就越大，产量就越低。极紫外 (EUV) 光刻技术就体现了这种复杂性。因此，业界正努力通过寻找半导体制造工艺的新方法来协调大幅缩小晶体管尺寸的好处与相关的技术挑战。

　　半导体材料

　　佐治亚理工学院的突破预示着一种全新的电子学方法，而这种突破更为重要，因为作为当代电子学的基石，硅在速度和小型化方面面临限制。佐治亚理工学院物理学教授沃尔特·德希尔 (Walter de Heer ) 领导的亚特兰大和天津团队报告称，他们成功开发出一种与标准微电子处理方法兼容的石墨烯半导体。

　　德希尔表示，他一直对石墨烯寄予厚望，这是一种非常有弹性的材料，可以承受非常高的电流而不会过热和降低其功能。在他早期对碳基材料作为可能的半导体的研究中，他专注于二维石墨烯。

　　De Heer 和他的佐治亚理工学院同事首先想出了如何使用独特的结构在 SiC 晶片上制造石墨烯。他们成功制造出外延石墨烯，即在 SiC 结晶面上生长的单层石墨烯。研究人员发现，当外延石墨烯正确合成时，它会在化学上粘附在 SiC 上并开始显示出半导体的迹象。

　　佐治亚理工学院和天津大学天津国际纳米粒子与纳米系统研究中心的合作使得大量研究成为可能。

　　在自然状态下，石墨烯是一种半金属，既不是金属也不是半导体。当电场施加到宽带材料上时，它可能会打开和关闭。在实际的石墨烯电子研究中，关键问题是如何打开和关闭石墨烯，使其性能像硅一样，从而像我们熟悉的晶体管一样。

　　然而，要制造出可以工作的晶体管，需要对相关材料进行大量加工。在不损坏半导体的情况下测量其电气特性是确保其实用性和功能性的关键。

　　所谓的带隙的缺失一直是个问题。半导体的特点是存在上能带和下能带，以及一个称为带隙的点，激发电子可以从一个能带传递到另一个能带。这产生了数字计算机中使用的二进制 0 和 1，因为它可以打开和关闭电流，使系统导电或不导电。

　　研究人员表示，他们通过向材料中添加供体原子(向系统中释放电子的原子)来掺杂石墨烯。这种方法非常成功，不会对物质或其属性造成任何损害。该团队的测量结果显示，所得石墨烯的迁移率是硅的 10 倍。

　　研究人员声称，他们已经开发出迄今为止唯一一种具备纳米电子学所有必要特性的二维半导体。他们进一步表示，他们的半导体的电性能明显优于目前正在开发的任何其他二维半导体。

　　可扩展性

　　由于与硅芯片制造过程相似，德希尔和他的同事开发的技术有望实现更容易获得的可扩展性潜力。

　　硅芯片一直是技术进步的驱动力，这要归功于其广泛确立的成本结构和维持全球庞大工业基础设施的能力。然而，我们正在接近硅可扩展性的极限。摩尔定律指出，电子领域的驱动力之一是电路中晶体管的数量每两年翻一番。然而，近年来，随着工程师们已经接近电路密度，有效调节电子变得具有挑战性，这种扩展速度有所放缓。

　　最初，SiC 通过蒸发产生石墨烯多层，其中第一层石墨层用作部分与 SiC 结合的绝缘外延石墨烯。该层表现出半导体特性，但受到无序性的阻碍。一种新颖的准平衡退火技术可以改进 SEG，使其晶格与 SiC 对齐，并使其具有抗化学、机械和热应力的能力。使用标准半导体制造方法将 SEG 与半金属外延石墨烯集成和图案化，可增强其在纳米电子学中的适用性。

　　未来展望

　　虽然石墨烯电路前景光明，但其广泛应用仍面临重大障碍。解决这些挑战对于充分利用石墨烯的技术优势至关重要。德赫尔团队的创新方法可扩展且突破了硅芯片的限制，为电子产品的未来带来了希望。

　　如今，石墨烯首次被用于构建功能性和可扩展性的半导体，这可能导致开发出一种比硅处理器更快、更高效的新型计算机。尽管先前的研究表明石墨烯可以在微小尺度上充当半导体，但石墨烯从未生长到可以生产计算机芯片的水平。

　　科学家表示，这不仅是第一种由石墨烯制成的功能性半导体，而且可以利用当前的生产工艺来制造它。科学家表示，从生产硅晶片转向生产碳化硅晶片是“相当可行的”，碳化硅晶片可用于制造外延石墨烯。

　　研究人员在《自然》杂志的论文中提出，石墨烯基半导体未来可能在量子计算中得到应用。与光类似，石墨烯的电子具有量子波特性，这使其可用于电子产品，尤其是在极低温度下。

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