編輯：編輯部 矽，是所有電子產品的終結嗎？
這個紀錄被石墨烯打破了！
天津大學和喬治亞理工學院的研究人員創造了世界上第乙個由石墨烯製成的功能半導體。
團隊的突破為新的電子產品開啟了大門。 研究已發表在《自然》雜誌上。
*位址：本研究成功攻克了長期阻礙石墨烯電子學發展的關鍵技術難題，開啟了石墨烯的帶隙，實現了從0到1的突破。
有網友驚呼：這簡直就是電子學的一場革命，外延石墨烯的突破，可以讓摩爾定律延續幾十年！
事實證明，矽只是乙個開始。
這一發現可能會永遠改變計算和電子學。
石墨烯研究已經突破了幾十年的障礙。
半導體是在一定條件下導電的材料，是電子裝置的基本部件。
該團隊的發現是在矽的效能達到極限的時候發現的。
過去，矽是幾乎所有現代電子產品的原材料，但更快的計算速度和越來越小的電子裝置使這條路線越來越長。
英偉達CEO黃老經常說摩爾定律已經死了。
這時，石墨烯就派上用場了！
石墨烯是一種單片碳原子，由已知最強的鍵結合在一起。
要知道，天然石墨烯不是半導體，也不是金屬，而是半金屬。
然而，由喬治亞理工學院物理學教授沃爾特·德希爾（Walter de Heer）領導的乙個團隊創造了一種與傳統微電子加工方法相容的石墨烯半導體。
因此，這種半導體可以成為矽的替代品。
為什麼沒有人想到用石墨烯代替矽？
這是因為幾十年來一直困擾著石墨烯研究的最大障礙之一，以至於許多人相信石墨烯不能用作半導體。
障礙在於石墨烯沒有帶隙。
此時，被激發的電子可以從乙個能帶跳到另乙個能帶。 這有效地開啟了和關閉了電流，從而控制了導電開關，同時建立了數字計算機中使用的 0 和 1 的二進位系統。
帶隙圖顯示了導體、半導體和絕緣體的不同尺寸的帶隙。
de Heer教授和他的團隊克服了這一障礙。
De Heer教授說：“今天，我們擁有一種非常堅固的石墨烯半導體，其遷移率是矽的10倍，並且具有矽所不具備的獨特效能。 」
但在過去的十年裡，我們每天都在絞盡腦汁的是——我們能不能把石墨烯材料做得更好，我們能不能成為半導體？ 」
他在20年前就知道石墨烯的潛力。
石墨烯的成名與兩位英國科學家的故事有關，他們用手撕透明膠帶在10年內獲得了諾貝爾獎。
不過，在那之前，有很多人相信石墨烯在電子產品中的潛力。
當堆疊成片狀時，石墨烯可以形成具有獨特效能的晶體透明結構，被稱為奇蹟材料。
它是已知最薄、最輕的材料之一，據估計，石墨烯比金剛石更硬，比結構鋼強約 100 到 300 倍。
一平方公尺石墨烯僅重00077 克，但最多可支撐 4 公斤。 它還可以彎曲到自身長度的 20% 而不會斷裂。
石墨烯中碳原子的蜂窩狀排列促進了電子的自由運動，電子的超高負載可以使電子執行得非常快，並實現許多酷炫的科幻材料屬性，如觸控螢幕、飛機等。
在他職業生涯的早期，de Heer教授開始探索碳基材料作為潛在半導體的能力，並於2024年將注意力轉向二維石墨烯。
該團隊希望將石墨烯的三種特性引入電子產品：1堅固; 2.處理非常大的電流; 3.無需加熱和分離即可工作。
在實驗過程中，該團隊提出了使用特殊熔爐在碳化矽晶圓上生長石墨烯的想法。
他們取得了突破，生產出單層外延石墨烯，生長在碳化矽的晶體表面。
他們發現，如果製造得當，外延石墨烯會與碳化矽發生化學結合，並開始表現出半導體特性。
在接下來的十年裡，喬治亞理工學院的團隊與天津大學天津國際奈米粒子和奈米系統研究中心合作，研究這種材料。
TCNN主任馬磊。
乙個關鍵的突破：向系統提供電子，其遷移率是矽的 10 倍。
當然，石墨烯既不是半導體也不是金屬，而是半金屬。
帶隙是一種在施加電場時可以開啟和關閉的材料，所有電晶體和矽電子器件都依賴於這種工作原理。
石墨烯電子學研究的主要問題是如何開啟和關閉帶隙，使石墨烯像矽一樣工作。
但是，如果要製造功能電晶體，則必須使大部分半導體材料可控，這可能會損害石墨烯的效能。
為了證明石墨烯可以用作半導體，該團隊需要在不損壞石墨烯的情況下測量其電子特性。
研究人員將原子放在石墨烯上，並向系統提供電子——這種技術被稱為摻雜，以檢視材料是否為良導體。 這樣，就沒有必要破壞石墨烯的材料或效能。
研究人員使用加熱的碳化矽晶片，迫使矽在碳之前蒸發，有效地在表面留下一層石墨烯。
結果表明，石墨烯半導體的遷移率是矽的10倍。
電子可以以極低的電阻移動，這意味著電子學中的計算速度更快。
這就像在碎石路而不是高速公路上行駛一樣。 前者效率更高，不會過度公升溫，並且速度足夠快，可以讓電子快速移動。 de Heer教授解釋道。
該石墨烯產品是目前唯一具有奈米電子學必要特性的二維半導體，其電子效能遠優於目前正在開發的其他二維半導體。
天津國際奈米粒子與奈米系統研究中心主任、合著者馬 Lei說
石墨烯電子學的乙個長期問題是，石墨烯沒有正確的帶隙以正確的比例開啟和關閉。 我們的技術實現了帶隙，這是實現基於石墨烯的電子產品的最關鍵步驟。萊特兄弟時刻。
這種外延石墨烯可能會在電子領域引起正規化轉變，並產生許多新技術。
它允許使用量子計算所需的電子的量子力學波特性。
根據de Heer教授的說法，下一代電子產品是可以期待的。 在矽之前，有真空管，在此之前，有電線和電報。
在電子學史上，矽只是一段時間內的形式之一，下一步恐怕就是石墨烯了。
德希爾教授說，對他來說，這就像萊特兄弟的時刻。
萊特兄弟製造了一架可以在空中飛行 300 英呎的飛機。 懷疑論者問：當世界上已經有火車和輪船時，為什麼我們需要飛機？ 但他們堅持了下來，在那之後，飛機可以帶人穿越大洋。
超高遷移率半導體。
石墨烯中缺乏固有的帶隙。 在過去的二十年中，通過量子約束或化學功能化來改變帶隙的嘗試一直沒有成功。
在這項工作中，研究人員證明，單晶碳化矽襯底上的半導體表面石烯（SEG）具有06 EV帶帶隙，達到5000以上
室溫遷移率是矽的10倍，是其他2D半導體的20倍。
換句話說，可行的半導體石墨烯誕生了。
當矽從碳化矽晶體表面蒸發時，富碳表面結晶產生石墨烯多層膜。 在SiC的矽端面上形成的第乙個石墨層是絕緣表皮層，它與SiC的表面部分共價鍵合。
緩衝層的光譜測量顯示了半導體特性，但由於無序，該層的遷移率受到限制。
在本文中，研究人員展示了一種準平衡退火方法，該方法在巨集觀原子平坦的階地上產生SEG（即有序緩衝層），SEG晶格與SIC襯底對齊。
Seg 具有化學、機械和熱穩定性，可以使用傳統的半導體製造技術進行圖案化，並無縫附著在半金屬表石墨烯上。 這些基本特性使SEG適用於奈米電子學。
如下圖（a）（b）所示，傳統的表石烯和緩衝層在封閉的可控昇華（CCS）爐中生長，其中35mm × 4.5 mm 半絕緣 SiC 晶元在溫度範圍為 1300 °C 至 1600 °C 的圓柱形石墨坩堝中以 1 bar AR 退火（如下圖 （C） 所示）。
坩堝被射頻源**圈中感應的渦流加熱，坩堝中有小洩漏，矽從坩堝中逸出的速率決定了石墨烯在表面形成的速率。 因此，生長溫度和石墨烯形成速率得到控制。
將兩個晶元堆疊在一起，底部晶元（Source）的C側朝向頂部晶元（Seed）的Si側。
在高溫下，晶元之間的溫差很小，導致從底部晶元到頂部晶元的淨質量流，導致種子晶元上逐漸生長出大梯田，並在其上生長出均勻的SEG膜。
SEG的發展分為三個階段：
在第一階段，將晶元在真空中加熱至900°C約25分鐘，以清潔表面;
在第二階段，將樣品在 1 bar AR 中加熱至 1,300 °C 約 25 分鐘，從而產生規則的雙層 SiC 步驟陣列和大約 02公尺寬的樓梯。
在第三階段，SEG塗層的階地在1600°C，1 Bar的AR中生長，階梯式聚束和階梯流產生大型原子扁平階地，緩衝層在C面和Si面之間建立的準平衡條件下生長。
工藝中最重要的引數是溫度t、切屑之間的溫差δt和退火時間t，當t=1600-1700°C時，退火時間通常為1-2小時。 溫差 δt 取決於坩堝設計，估計約為 10 °C，以提供兩個晶元之間傳質所需的足夠蒸氣壓差。
SEG 表徵。
下圖 （a） 說明了 35 mm×4.5 mm晶圓的復合電子顯微鏡（SEM）影象。
SEM 已經過調整，可在 SIC（白色區域）和 SEG（灰色區域）之間提供鮮明的對比。 大約80%的表面被SEG覆蓋。 石墨烯會以深色斑塊的形式出現（這裡看到的黑點是塵埃顆粒）。 最大無台階面積約為05mm×0.3mm。
圖（B）是使用掃瞄隧道顯微鏡（STM）的SEG的低溫原子解像度影象。
STM影象顯示了在空間上覆蓋的石墨烯蜂窩晶格（綠色）。
超週期結構（紅色菱形和紫色六邊形）調製，對應於約100 pm的SEG高度調製，部分共價鍵合到底物上。
採用低能電子衍射（LEED）技術對SEG進行鑑定，並驗證其與SIC襯底的原子配準。
上圖（c）顯示了SEG晶格的特徵6 3 6 6 3 3 R30°衍射圖（LEED），顯示了SEG的石墨烯晶體結構以及SEG相對於SiC襯底上原子的晶體排列。 在傳統生產的緩衝層樣品中沒有大量的石墨烯痕跡。
圖（d）是50 m 50 m區域的拉曼圖，解像度為1 m，拉曼光譜（1 100 m）對石墨烯和SEG非常敏感，石墨烯的痕量通過其強烈的特徵二維峰很容易識別，這表明表面沒有石墨烯。
圖（E）顯示了SEG的低溫STS影象，將SEG的態密度（DOS）對映為費公尺能量的函式。 影象顯示 06 EV的清晰帶隙。
圖（a）顯示樣品的電導率隨著溫度的公升高而單調增加。 室溫電導率範圍為 1e-3 s 至 8e-3 s，對應電阻率為 125 至 330。 低溫值最多可降低1000倍。
圖（B）表示電荷密度，STS測量表明SEG本質上是電荷中性的，因此電荷是由環境氣體（包括微量揮發性有機化合物）和光刻的殘餘電阻引起的。
圖（d）顯示，材料的遷移率隨著溫度的公升高而增加，在較高溫度下趨於飽和。 測得的最大移動性為5500
室溫SEG電導率、電荷密度和遷移率都在表石烯的典型範圍內。 然而，溫度依賴性類似於具有深體態的摻雜半導體。
通過測量半導體和DOS，我們可以**場效應電晶體的響應：
圖（a）顯示了DOS**SEG通道的電阻率計算得出的結果，假設SEG遷移率為4000的理想電介質
*室溫下斷裂比大於1e6。
圖（b）顯示了電荷密度與費公尺能量的函式關係。 在 t = 300K 時，n 和 p 分支的導通電壓預計分別為 +0。34v 和 023v。
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