神奇材料石墨烯

石墨烯這種由碳原子緊密排列而成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)二維材料，既是世界上最薄、最堅(jiān)硬的納米材料，同時(shí)也是世界上電阻最小的材料，它可以發(fā)展成為新一代的電子元件，廣泛應(yīng)用于電腦和手機(jī)等電子設(shè)備上。

石墨烯的碳原子排列與石墨的單原子層相同，可想象為由碳原子和其共價(jià)鍵所形成的原子網(wǎng)格。石墨烯極其穩(wěn)定，同時(shí)也非常靈活。它的熱能和電能的傳導(dǎo)系數(shù)比金屬更好，并且像玻璃一樣透明。硅是目前制作芯片的基本物質(zhì)，而石墨烯的電子遷移率是硅的100倍，可以發(fā)展出導(dǎo)電速度更快的新一代電子組件或晶體管，能夠極大地提高電腦的性能。

石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直至2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在實(shí)驗(yàn)中成功地從石墨中分離出石墨烯，證實(shí)了它并非是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，它可以單獨(dú)存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。而接下來(lái)的問(wèn)題是，我們可以用這種神奇的材料做什么呢？這個(gè)問(wèn)題的答案值10億歐元，歐盟將在10年內(nèi)投入10億歐元的巨額研究經(jīng)費(fèi)支持石墨烯的應(yīng)用研究項(xiàng)目。除此以外，三星和諾基亞等大型的IT公司也已經(jīng)開(kāi)始了在石墨烯領(lǐng)域的研究工作。

電腦技術(shù)的飛躍

100GHz的處理器和充電時(shí)間僅需數(shù)秒的電池，是目前石墨烯應(yīng)用研究領(lǐng)域最為人所稱道的項(xiàng)目。不過(guò)，雖然石墨烯具備實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用的半導(dǎo)體特性，但是發(fā)掘石墨烯的寶藏并不是一件容易的事情。下面，CHIP將為大家介紹這中間必須要解決的問(wèn)題以及更多石墨烯的新項(xiàng)目。

特性：超硬、超導(dǎo)

電子流能以較高的速度通過(guò)石墨烯，該材料非常堅(jiān)硬，同時(shí)又具備柔性和透明的特點(diǎn)。

原子結(jié)構(gòu)圖揭示了石墨烯的秘密，碳原子組成的六邊形網(wǎng)格中，每一個(gè)碳原子將與相鄰的3個(gè)碳原子共同使用外層的3個(gè)電子，而第四個(gè)電子是可以自由移動(dòng)的。前者使石墨烯結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定和堅(jiān)固，后者則賦予石墨烯良好的電導(dǎo)性和熱導(dǎo)性。碳原子之間相互作用的紐帶，使得石墨烯在層的方向上像鉆石一樣堅(jiān)硬。但同時(shí)，六邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可以延伸自身約20%左右，碳原子之間的連接很柔韌，因而，石墨烯同時(shí)也是很柔韌的。

另外，石墨烯光柵即使損壞了，在催化劑（鈀、鎳）的作用下也可自我填充愈合，只需供應(yīng)充足的碳原子用于修補(bǔ)即可?？梢宰杂梢苿?dòng)的外層電子在電腦方面的應(yīng)用更有意義，它賦予了石墨烯特殊的屬性：通過(guò)自由移動(dòng)的外層電子相互轉(zhuǎn)化，電子流能以更高的速度幾乎毫無(wú)阻力地從石墨烯光柵通過(guò)。因而，使用石墨烯晶體管制成的電腦芯片將可以工作在更高的頻率下，而不會(huì)受到熱量的影響。2011年6月，IBM的研究人員宣布，他們已經(jīng)成功地創(chuàng)造出了第一個(gè)以石墨烯為基礎(chǔ)的芯片，它的工作頻率高達(dá)100GHz。

大規(guī)模生產(chǎn)方面的研究進(jìn)展

是否能夠大量生產(chǎn)是阻礙石墨烯應(yīng)用夢(mèng)想實(shí)現(xiàn)的第一大問(wèn)題，石墨烯生產(chǎn)方法有很多種，而目前主要采用的方法有3種。首先是剝離法，通過(guò)在高定向熱裂解石墨上剝離石墨烯薄片，可以生產(chǎn)出高質(zhì)量石墨烯，但該技術(shù)存在產(chǎn)量低和成本高的不足，無(wú)法滿足工業(yè)化和規(guī)模化生產(chǎn)的要求，目前只能在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行小規(guī)模生產(chǎn)。

其次，碳化硅在大約1 000℃時(shí)會(huì)蒸發(fā)，蒸發(fā)后可得到二氧化硅，含碳的氣體將會(huì)殘留在碳化硅的表面，利用碳化硅的這一特點(diǎn)，將碳沉積在硅間隙同樣可以生產(chǎn)出石墨烯。目前，由石墨烯層和碳化硅基板組成的50mm內(nèi)徑的晶圓就是采用這種方法生產(chǎn)的，但是埃爾蘭根大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究人員發(fā)現(xiàn)，這些晶圓雖然適合用于生產(chǎn)晶體管，但是載體材料的電子減速，電子遷移率大約為2 000cm2/Vs左右，雖然比目前廣泛使用的摻雜硅（1400cm2/Vs）要高，但遠(yuǎn)小于石墨烯理論上的極限值（200 000cm2/Vs）。

另外還有化學(xué)氣相沉積法（Chemical Vapor Deposition，CVD），該方法通過(guò)在銅表面上沉積分解的含碳?xì)怏w，再通過(guò)化學(xué)刻蝕，刻蝕掉不適合作為載體材料的銅，最后將分離得到的石墨烯薄膜加在硅基板上，這樣生產(chǎn)出的材料可以實(shí)現(xiàn)更高的電子遷移率（16 000cm2/Vs左右）。目前來(lái)說(shuō)，CVD或許是未來(lái)大規(guī)模生產(chǎn)的最佳方法。

晶體管：

計(jì)劃與藍(lán)圖

石墨烯無(wú)法直接取代硅作為晶體管的材料，因?yàn)檫@個(gè)神奇的材料需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

晶體管是電腦芯片的基本組成部分，這些微小的電子電路每一個(gè)代表著一個(gè)位。目前常見(jiàn)的晶體管以半導(dǎo)體硅作為主要材料，不同于石墨烯，硅的4個(gè)外層電子中的每一個(gè)都與它的相鄰原子形成共價(jià)鍵，硅沒(méi)有可以自由移動(dòng)的電子。因而，需要摻雜其他材料加入外來(lái)原子，例如源極和漏極進(jìn)行N型摻雜，摻入外層有5個(gè)電子的砷，如果砷被硅吸收，那么就會(huì)多出一個(gè)自由移動(dòng)的外層電子。通道進(jìn)行P型摻雜，摻入只有3個(gè)外層電子的硼，由于反而少了1個(gè)電子，所以就會(huì)形成一個(gè)所謂的“空穴”。當(dāng)施加電壓時(shí)，硅晶體管中通道打開(kāi)，電子從源極流到漏極。所施加的電壓，其大小取決于摻雜的材料與程度。硅的禁帶寬帶為1.1eV（電子伏特），這是電子越過(guò)導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的禁帶所需要的能量。只有當(dāng)電子能夠跳躍至導(dǎo)帶，晶體管才處于打開(kāi)的導(dǎo)電狀態(tài)。但是石墨烯沒(méi)有禁帶，電子在導(dǎo)帶中總是存在，如果作為晶體管材料，那么石墨烯晶體管將一直處于打開(kāi)的狀態(tài)，缺少關(guān)閉狀態(tài)。

打造石墨烯半導(dǎo)體

石墨烯必須具有禁帶才能夠成為適合用于晶體管的材料，在過(guò)去的幾個(gè)月該領(lǐng)域已經(jīng)有了一些突破。一個(gè)科學(xué)家小組在佐治亞理工學(xué)院使用碳化硅方法已經(jīng)可以重建石墨烯納米帶。由于石墨烯形成了波浪的形狀，所以這將會(huì)產(chǎn)生0.5eV的禁帶寬度。

除此之外，日本研究人員已經(jīng)先行了一步，他們已經(jīng)通過(guò)CVD法開(kāi)發(fā)出了30nm的石墨烯晶體管（最新的英特爾三柵極晶體管為22nm）。日本的研究人員使用氦離子轟擊石墨烯，產(chǎn)生干擾形成樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。由于這樣形成的禁帶寬度很小，所以他們采用了兩個(gè)柵極來(lái)控制電子的流動(dòng)。

日本研究人員目前正計(jì)劃制造這種晶體管的晶圓，以證明他們的方法是否適合大批量生產(chǎn)。不過(guò)，也許改變傳統(tǒng)的晶體管模型可以設(shè)計(jì)出更好的石墨烯晶體管。在英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的一個(gè)研究項(xiàng)目中，研究人員通過(guò)CVD法，將兩層石墨烯用一層鎢（IV）硫化物（WS2）分隔開(kāi)來(lái)。這將產(chǎn)生一個(gè)2.1eV的禁帶寬度，必須施以足夠的能量，電子才能夠從一個(gè)石墨烯層移動(dòng)到另一個(gè)。

應(yīng)用：內(nèi)存、電池

石墨烯對(duì)于電腦相關(guān)的其他設(shè)備同樣意義重大，其中顯示器將會(huì)是第一位。

在研究出如何使用石墨烯作為晶體管的材料之后，設(shè)計(jì)出一種快速并能夠長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)的閃存單元就不會(huì)是一件太難的事情了。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)建立了一個(gè)用石墨烯制作浮柵的閃存單元，其工作原理就像一個(gè)晶體管。當(dāng)施加電壓時(shí)，電子流從源極到漏極。唯一的區(qū)別是，柵極和通道之間多了一個(gè)石墨烯制作的浮柵。這個(gè)浮柵實(shí)際上是閃存單元的存儲(chǔ)元件，浮動(dòng)?xùn)胖须娮拥臄?shù)量決定了該位的值。當(dāng)施加電壓時(shí)讀出該值，施加高電壓，當(dāng)正電壓超過(guò)10V時(shí)將填充浮柵，施以相應(yīng)的負(fù)電壓則清空浮柵中的電子。

這個(gè)閃存單元原型通道由同樣具有卓越電子特性的礦物輝鉬礦（二硫化鉬）制成，在石墨烯禁帶寬度為1.8eV的情況下，二硫化鉬的電子遷移率很高。此外，石墨烯閃存單元可以更長(zhǎng)期地保存數(shù)據(jù)，因?yàn)樗仁褂霉栝W存的固態(tài)硬盤或者閃存盤的刪除周期更長(zhǎng)。其次，石墨烯閃存單元能在一個(gè)較低的電壓下運(yùn)作和刪除，且具有較高的讀取和寫入速度。

石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性注定了它將被用于太陽(yáng)能電池或電池組，紐約的倫斯勒理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)表明，使用石墨烯作為材料，電池的充電時(shí)間可以從12min減少到90s。

由于石墨烯不僅導(dǎo)電性非常好，同時(shí)還是透明的，因而，也非常適用于各種類型的顯示器。早在2010年，斯坦福大學(xué)的研究人員就已經(jīng)研發(fā)出了使用石墨烯電極的有機(jī)發(fā)光二極管（OLED），使用石墨烯取代透明的但昂貴的銦錫氧化物（ITO），這種電極也同樣可以應(yīng)用于太陽(yáng)能電池。

石墨烯的機(jī)械性能也同樣可以加以利用，其重量輕、靈活性和耐久性高的特點(diǎn)，是完美的耳機(jī)振膜材料。加州大學(xué)伯克利分校的一個(gè)研究小組最近介紹了一種石墨烯的耳機(jī)振膜，振膜的直徑只有7mm，使用兩個(gè)硅電極驅(qū)動(dòng)，聲音質(zhì)量完全可以比擬高端耳機(jī)。

我們無(wú)法預(yù)測(cè)石墨烯是否能夠滿足所有研究人員和公司的期望，而且目前石墨烯材料以及石墨烯晶體管大規(guī)模生產(chǎn)的問(wèn)題也尚未解決。不過(guò)，諾貝爾獎(jiǎng)的獲得者康斯坦丁·諾沃肖洛夫領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組已經(jīng)公布了一份路線圖，他們預(yù)測(cè)石墨烯產(chǎn)品將很快進(jìn)入市場(chǎng)，首先進(jìn)入市場(chǎng)的將會(huì)是顯示器、用于無(wú)線通訊的高頻晶體管以及用于電腦的邏輯晶體管。按照這份路線圖，我們將不得不等待至少10年才可以用上100GHz的CPU。