石墨烯是一种由碳原子形成的二维材料，具有出色的导电性能和机械强度。然而，在以往的研究中，石墨烯的半导体特性一直未能实现。经过数年的努力，美国佐治亚理工学院和天津大学的科研团队终于找到了一种方法，成功地将石墨烯转变为具有半导体特性的材料。
随着科技的不断进步，如今的电子设备正朝着更小、更快的方向发展。然而，传统的硅基半导体已经接近物理临界点，难以满足日益增长的需求。2024年，科技界迎来了令人振奋的消息！美国佐治亚理工学院和天津大学研究人员共同创造了世界上第一个由石墨烯制成的功能半导体，其可以实现更小、更快的电子设备，并可能应用于量子计算。随着芯片技术的迭代逼近物理临界点，石墨烯半导体的问世为电子产品的突破打开大门，也为我们提供了一种全新的材料选择，能够实现更高效的电子器件。
图：美国佐治亚理工学院最新石墨烯半导体样本
一、石墨烯在半导体应用中的挑战
一是缺乏带隙。石墨烯既不是半导体也不是金属，而是半金属。石墨烯没有带隙，无法以正确的比率打开和关闭。带隙是一种在施加电场时可以打开和关闭的材料，是所有晶体管和硅电子器件的工作原理。因此，石墨烯带隙为零，不具有半导体性质，无法实现像硅一样在半导体中工作。
二是稳定性低。石墨烯具有良好的导热性能，但稳定性不高，其无法在有氧环境中稳定存在。它在高温下与氧气反应，生成氧化石墨烯。其会破坏石墨烯本身的性能，直至失去导电性能。另外，石墨烯包含一些毒性和杂质石墨，加热过程中会产生毒化学物质。有毒物质残留则会影响石墨烯性性能，且制成的电气组件可能会危害日常生活。
三是成本昂贵。大规模生产石墨烯非常困难且成本昂贵，通过机械剥离法可获得少量的石墨烯片。但是，在商业化生产中，需要提取大量的石墨烯片，且提取出的材料包含一些杂质/缺陷，无缺陷的石墨烯片成本更加昂贵。目前，一克石墨烯的价格约为100美元，单张石墨烯的制造成本为100美元，开发出合适的生产方法量产商业化石墨烯还要探究。
二、研究突破
美国佐治亚理工学院和天津大学研究人员克服了几十年来困扰石墨烯零带隙的最大障碍，实现了二大突破，从而将电子迁移率降低到可以替代硅的水平。
一是迁移率高。研究人员使用掺杂技术，将原子放在石墨烯上，向系统“捐赠”电子。该方法实现了石墨烯零带隙的突破，且不会损坏材料或其特性，是实现基于石墨烯的电子产品的关键一步。研究人员表示，该石墨烯半导体异常坚固，其迁移率是硅的10倍，并且还具有硅所不具备的独特性能。
二是稳定性高。研究人员使用特殊熔炉在碳化硅晶圆上生长石墨烯，取得另一突破。他们生产了外延石墨烯，在碳化硅晶面上生长出单层石墨烯。他们发现，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。此外，其可以承受高电流，且在高温环境中不会分解。
图：Nature 杂志
三、研究前景
研究团队表明，石墨烯半导体的电子以非常低的阻力移动，效率更高，且升温较慢，但移动速度更快，实现了高迁移率。目前，其是唯一具有用于纳米电子学的所有必要特性的二维半导体，且电学特性远远优于目前正在开发的任何其他二维半导体。外延石墨烯将引起电子领域的范式转变，并利用其独特特性实现全新技术突破。此外，利用其电子的量子力学波特性，实现量子计算飞跃发展。
随着芯片技术的不断迭代升级，传统硅材料逐渐接近物理临界点。石墨烯半导体的问世为电子产品的突破打开了大门。在不久的将来，我们或许能够看到更小、更快、更强大的电子设备问世，为人们的生活带来更多便利和可能性。同时，石墨烯半导体的应用也将推动量子计算领域的发展，加速人类对于科学、工程和计算问题的解决能力。石墨烯半导体的问世是电子产业迈向一次标志性的突破。其优异的电特性和潜在的应用前景使其成为未来电子设备发展的重要方向。
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