摩爾定律“繼續”。
長期以來，矽一直是半導體行業取之不盡用之不竭的基礎材料，現在我們根本無法想象沒有矽基晶元的生活。
矽基半導體時代的迭代基本遵循“摩爾定律”，但隨著時間的流逝，摩爾定律的失敗變得不可避免。 1965年，英特爾創始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）在《電子》雜誌上表示，每平方英吋矽晶圓的電晶體數量每12個月就會翻一番，這是摩爾定律的前身; 十年後，摩爾將積體電路翻倍的時間從12個月調整為24個月; 最後乙個準確的時間表被設定為“每 18 個月翻一番”。
半個世紀以來，摩爾定律引領了半導體產業的快速發展，台積電現在甚至征服了2nm工藝。 不過，半導體行業也需要尊重物理定律，即晶元不能無限縮小，摩爾定律遲早會被逼到最後。
業界的共識是，當矽基晶元觸及10nm以下時，會受到材料、器件等的限制，晶元會出現量子隧穿引起的漏電效應和短溝道效應等問題——換句話說，電流不容易控制，容易出錯，電流控制誤差， 那麼如何表示 0 和 1 呢？
為了延續和擴充套件摩爾定律，滿足新時代的算力需求，業界開始探索新型半導體材料的可能性。 同樣豐富的碳基材料也受到關注。
在所有碳基材料中，石墨烯半導體的研究和應用可能更值得關注。 不久前，天津大學馬教授團隊和喬治亞理工學院Walter de Heer教授團隊宣布研製出世界上第乙個由石墨烯材料製成的功能半導體。 這意味著，在石墨烯材料誕生20年後，半導體領域終於實現了從0到1的突破。
為什麼石墨烯作為一種“神奇材料”，適合積體電路行業？ 又是什麼阻礙了石墨烯半導體的應用呢？ 這要從石墨烯的材料特性說起。
魔法材料的阿喀琉斯之踵
2004年，來自曼徹斯特大學和切爾諾戈洛夫卡微電子技術研究所的兩個物理團隊合作，以一種粗糙但有效的方式創造了一種石墨烯材料——使用文具店裡可以找到的膠帶，將其摺疊並貼上在石墨片的兩面，然後將其撕開，再次貼上， 將其撕裂，重複該過程，直到它由僅由一層碳原子組成的全新材料組成。
這一發現不僅為兩位科學家帶來了諾貝爾物理學獎，也開闢了材料科學的新方向：二維材料。 石墨雖然“軟弱”，但石墨烯具有完全不同的品質，比如透明，比鋼硬，導電性比銅銀多，導熱性是頂級......已知材料
二維材料石墨烯
這些令人著迷的材料品質是石墨烯更適合電晶體和電線的原因。 復旦大學物理系教授張元波曾解釋，矽就像乙個海綿球，因為它的表面總是與氧氣反應生成氧化矽，所以製作的電晶體不能無限小，會影響效能; 另一方面，石墨烯是由單層碳原子組成的薄片石墨，但儘管它很薄，但它仍然保持穩定，因為它不與外界發生反應。
從理論上講，如果你用石墨烯製造電晶體，你可以讓電子在晶元水平上真正按照自己的方式發展，而不會相互干擾。 同時，作為一種非常好的熱電材料，它可以將餘熱轉化為電能，還可以更好的散熱，從而提高晶元的穩定性和壽命。 從製造的角度來看，碳基晶元的生產過程不需要高溫高壓，更不用說更小更輕的晶元了，我們也可以獲得比現有矽基晶元更高的計算速度。
然而，理論永遠是乙個理想化的表述，石墨烯和自然界中的任何生物一樣，都不會是完美的。 石墨烯在半導體中最致命的缺點是沒有“帶隙”。
從金屬到半導體，硬質製造？
“帶隙”又稱帶隙或能隙，是指固體材料中價帶（電子能量較低的能帶）和導帶（電子能較高的能帶）之間的能量分離。 如果帶隙小或不存在，那麼電子在室溫下可以直接從價帶跳到導帶，這種固體會表現出良好的導電性，這就是我們歸類為金屬的材料; 如果帶隙大，電子難以從價帶跳到導帶，則固體表現出絕緣性，這種固體稱為“絕緣體”; 如果帶隙適中，它可以在某些外部條件下導電，但在其他條件下則不導電，這就是我們常說的“半導體”。
合格的半導體受到外界的刺激，激發的電子會從乙個能帶跳到另乙個能帶，可以有效地開啟和關閉電流，從而控制導電開關，並在數字計算機中使用0和1建立二進位系統。 先前的研究發現，石墨烯是一種零帶隙材料，石墨烯片上的褶皺、丘和孔洞會對電流產生不尋常的影響，導致其在費公尺能級的電導率不會像普通半導體那樣下降到零，而是達到最小值。 這意味著它不能像矽一樣通過通電和斷電來表示0和1，也不能製成電晶體。
上述中美研究團隊聯合研發的石墨烯功能半導體的最大價值在於，它們開啟了石墨烯的能量缺口。
從該團隊發表在《自然》雜誌上的**中，我們可以大致了解這種能量差距是如何出現的。 研究人員利用矽原子與碳原子相比的高蒸發速率來加熱碳化矽晶圓; 矽蒸發後，在晶體表面留下石墨烯多層。
這種石墨烯多層的第一層是絕緣的“外延石墨烯”層，相當於在碳化矽晶體上“生長”的一層石墨烯，它與晶體上的碳原子鍵合。 原子之間的相互作用使這層外延石墨烯的能帶產生**，並產生能帶隙。
研究人員表示，石墨烯半導體的移動性是碳化矽的10倍。 遷移率越高，控制電流開關的電晶體速度越快，開關速度可以更快、更高效，“這就像在碎石路上行駛和在高速公路上行駛的區別。
雖然已經邁出了實際應用的第一步，但從其他新材料的經驗來看，石墨烯半導體才能真正進入千家萬戶還需要10到20年的時間，畢竟矽要滲透到各個領域，還需要一百年的時間。