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石墨烯终于变成了可以制造电子开关的半导体
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石墨烯终于变成了可以制造电子开关的半导体

作者:
来源:
环球科学
发布时间:
2015/10/27 00:00
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石墨烯,即以蜂窝状晶格排列的单层碳原子,具备一系列出色的性质。自从石墨烯在2003年被发现以来,研究者发现它具有优异的强度、导热性和导电性。最后一种性质使得这种材料非常适合用来制作电路中的微小接触点,但最理想是用石墨烯自己制成电子元件——特别是晶体管。
 
要做到这点,石墨烯不仅需要充当导体,也要有半导体的功能,这是电子元件需要进行的通断切换操作的关键。半导体由其带隙所定义的,带隙指的是激发一个电子,让它从不能导电的价带跃迁到可以导电的导带所需要的能量。带隙必须足够大,这样来使得晶体管开和关之间的状态才对比明显,这样它才能准确无误地处理信息。
 
常规的石墨烯是没有带隙的——它特殊的波纹状价带和导带实际上是连在一起的,这使得它更像是金属。尽管如此,科学家们试图分开这两个带。通过把石墨烯制造成奇特的形状,如带状,目前最高可以让带隙达到100meV,但这对电子工程应用来说还是太小了。
 
美国佐治亚理工学院的Edward Conrad和同事们通过外延生长制造了他们的石墨烯。这种方法要把碳化硅衬底被加热到1360 ℃,使它开始分解并形成石墨烯层。研究者发现,石墨烯层的第一层,通常被称为缓冲层,由于其与碳化硅衬底高度周期性的结合方式,形成了大于0.5eV的带隙。
 
没有参与这项工作的德国康斯坦茨大学(the University of Konstanz)的物理学家Guido Burkard说,这“几乎,虽然还没有”像普通半导体的带隙那样大了。“以这种方法制造的石墨烯是否具备与以往的石墨烯样品同样出色的电子性质还有待观察,”他补充道,“但这个研究结果肯定是非常有前途的。”
 
Conrad和同事们通过外延生长生成半导体石墨烯的方法并不是全新的。在2006年,加州大学伯克利分校(the University of California in Berkeley)一个由Alessandra Lanzara领导的团队研究了在碳化硅上外延生长的第二层石墨烯,并报道了其0.26eV的带隙。Conrad说他们团队的工作的主要区别在于生长技术的改进。“事实证明,要得到这个带隙,结晶顺序是非常重要的,而他们并不知道。”他解释说。
 
当Conrad和同事们尝试在仅仅低于他们常用温度20℃的温度下制造石墨烯,带隙就不存在了。Conrad用硅电子学发展初期来比喻这样的进展,“如果你回到20世纪60年代硅晶体管的初期,关键在于寻找不可思议的高度有序的晶体。”他说。在这个阶段,碳化硅晶片的高昂价格并不重要,他补充道。“第一个出售的硅晶体管售价为1500美元。重点是,你要先造出设备,然后才考虑费用。”
 
Conrad宣称,乔治亚理工学院的同事已经使用了他的半导体石墨烯来制造晶体管,开关电流比可以达到100万比1——这是正规电子产品要求的十倍。“所以,它开始变得能用了。”他说。