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美国与中国天津团队研发世界首个石墨烯功能半导体,电子迁移率是硅的10倍

2024-01-04 12:02:14 佐治亚理工学院 阅读:
佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)物理系执事教授沃尔特-德-希尔(Walter de Heer)带领一个由佐治亚州亚特兰大市和中国天津市的研究人员组成的团队,用石墨烯制造出了世界上第一块功能半导体,这是一种与传统微电子加工方法兼容的石墨烯半导体,这是硅的任何可行替代品的必要特性,这一突破为电子技术的发展打开了新大门。

佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)物理系执事教授沃尔特-德-希尔(Walter de Heer)带领一个由佐治亚州亚特兰大市和中国天津市的研究人员组成的团队,用石墨烯制造出了世界上第一块功能半导体,这是一种与传统微电子加工方法兼容的石墨烯半导体,这是硅的任何可行替代品的必要特性,这一突破为电子技术的发展打开了新大门。lKEednc

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在这项发表在《自然》杂志上的最新研究中,德希尔和他的团队克服了困扰石墨烯研究几十年的最重要障碍。带隙是一种关键的电子属性,使半导体能够在通断之间切换。长期以来,石墨烯缺乏带隙一直让研究人员对其在电子应用中的可行性产生疑虑。然而,这项研究意味着这一领域取得了显著的进展,可能为石墨烯在电子和技术领域带来新的可能性。lKEednc

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de Heer表示:“我们现在已经开发出了一个非常强大的石墨烯半导体,其迁移率是硅的10倍,而且还具有硅中没有的独特性质。” 他进一步表示:“然而,过去十年我们的工作重点一直是‘能否让这种材料达到足够好的水平以便发挥作用’。”lKEednc

一种新型半导体lKEednc

De Heer在职业生涯早期开始探索碳基材料作为潜在的半导体,然后在2001年转向二维石墨烯。他当时就知道石墨烯在电子领域有潜力。lKEednc

他说:“我们希望将石墨烯的三种特殊属性引入电子领域。”他解释说:“它是一种非常坚固的材料,能够承受非常大的电流,而且可以在不发热和分解的情况下完成这些操作。”lKEednc

当 De Heer 和他的团队想出如何使用特殊的熔炉在碳化硅晶片上生长石墨烯时,他们取得了突破性进展。他们制备出了外延石墨烯,即生长在碳化硅晶面上的单层石墨烯。研究小组发现,只要制作得当,外延石墨烯就会与碳化硅发生化学键合,并开始显示出半导体特性。lKEednc

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在接下来的十年中,他们在佐治亚理工学院坚持不懈地完善这种材料,后来又与中国天津大学天津国际纳米粒子与纳米系统研究中心的同事合作。De Heer与中心主任、论文共同作者Lei Ma于2014年创建了该中心。lKEednc

他们是如何做到的lKEednc

天然石墨烯既不是半导体也不是金属,而是一种半金属。带隙是一种在电场作用下可以开启和关闭的材料,所有晶体管和硅电子器件都是这样工作的。石墨烯电子学研究的主要问题是如何开启和关闭石墨烯,使其能像硅一样工作。lKEednc

但要制造功能晶体管,必须对半导体材料进行大量操作,这可能会破坏其特性。为了证明他们的平台可以作为可行的半导体工作,研究小组需要在不破坏它的情况下测量其电子特性。lKEednc

他们在石墨烯上放置原子,向系统 "捐赠 "电子--这种技术被称为掺杂,用于检测材料是否是良好的导体。这项技术在不破坏材料或其特性的情况下发挥了作用。lKEednc

该团队的测量结果显示,他们的石墨烯半导体的迁移率比硅大10倍。换句话说,电子的运动具有非常低的电阻,这在电子学中意味着更快的计算速度。De Heer说:“这就像在碎石路上开车和在高速公路上开车一样。它更高效,不会发热那么厉害,并且可以实现更高的速度,以便电子可以移动得更快。”lKEednc

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该团队的产品目前是唯一具有在纳米电子器件中使用所需所有性能的二维半导体,其电学特性远优于目前正在开发中的任何其他二维半导体。lKEednc

Ma说:“长期以来,石墨烯电子学中的一个问题是石墨烯没有正确的带隙,无法以正确的比例开关。多年来,许多人尝试用各种方法解决这个问题。我们的技术实现了带隙,这是实现基于石墨烯的电子器件的关键一步。”lKEednc

未来发展lKEednc

外延石墨烯的出现的确可能引领电子领域的范式转变,使得利用其独特性能开发全新技术成为可能。这种材料能够利用电子的量子波特性,这是量子计算的需求。lKEednc

“我们进行石墨烯电子的动机已经存在很长时间,剩下的只是让其变为现实。”de Heer说道。“我们不得不学会如何处理这种材料,如何使得它变得更好,最后如何测量其性能。这花费了很长时间。”lKEednc

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de Heer表示,看到又一个电子的新一代即将到来并不奇怪。在硅之前,有真空管,更早之前有电线和电报。硅只是电子历史上的众多步骤之一,下一步可能就是石墨烯了。lKEednc

“对我来说,这就像是莱特兄弟的时刻。”de Heer说。“他们制造了一架能够在空中飞行300英尺的飞机。但怀疑论者质疑,为什么世界需要飞行,如果已经有快速的火车和船只了。但他们坚持了下来,最终开启了一种可以将人们带过海洋的技术的开始。”lKEednc

参考链接:Researchers Create First Functional Semiconductor Made From Graphene;Demi Xia编译lKEednc

责编:Demi
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