基于石墨烯的纳米电子平台问世，有望5-10年制造出基于石墨烯的电子产品

纳米电子学领域的一个紧迫任务是寻找一种可替代硅的材料。美国佐治亚理工学院研究人员开发了一种新的基于石墨烯的纳米电子学平台——单片碳原子。发表在《自然·通讯》杂志上的该技术可以与传统的微电子制造兼容，有助于制造出更小、更快、更高效和更可持续的计算机芯片，并对量子和高性能计算具有潜在影响。

研究背景

目前，纳米电子学领域的一项紧迫任务是寻找一种可以替代硅的材料。几十年来，石墨烯被认为是最有希望的。但是，由于其具破坏性的工艺方法和缺乏新的电子范式使其很难被推广，它替代硅的潜力在这一过程中也变得步履蹒跚。随着硅不能再支持更快计算的需求，现在比以往任何时候都更需要下一个大的纳米电子平台。

研究人员de Heer称，石墨烯的力量在于其平坦的二维结构，这种结构由已知最强的化学键结合在一起。相较于硅，石墨烯可微型化的程度更深、能以更高的速度运行并产生更少的热量。原则上，单一的石墨烯芯片要比硅芯片内可封装更多器件。

2001年，de Heer提出了一种基于外延石墨烯（epitaxial graphene）或epigraphene的电子器件替代形式——一层石墨烯被发现在碳化硅晶体（一种用于制造高功率电子器件的半导体）的顶部自发形成。当时，研究人员发现，电流沿着epigraphene的边缘无阻力流动，该石墨烯器件可以在没有金属线的情况下无缝互连。这种组合产生一种依赖于石墨烯电子独特的类光性质的电子形式。

de Heer表示：“在低温下，在碳纳米管中观察到了量子干涉，我们预计在epigraphene带和网络中也会看到类似的效应。石墨烯的这一重要特性是硅材料不具备的。”

创建平台

为了创建新的纳米电子学平台，研究人员在碳化硅晶体基板上创建了一种改良形式的外延石墨烯，用电子级碳化硅晶体生产了独特的碳化硅芯片。

研究人员使用电子束光刻来雕刻石墨烯纳米结构并将其边缘焊接到碳化硅芯片上。这个过程机械地稳定和密封石墨烯的边缘，否则它会与氧气和其他可能干扰电荷沿边缘运动的气体发生反应。

最后，为了测量石墨烯平台的电子特性，研究团队使用了一种低温设备，使他们能够记录从接近零摄氏度到室温下的特性。

团队在石墨烯边缘态观察到的电荷类似于光纤中的光子，可在不散射的情况下传播很远的距离。他们发现电荷在散射前沿着边缘移动了数万纳米。而先前技术中的石墨烯电子在撞到小缺陷并向不同方向散射之前，只能行进约10纳米。

在金属中，电流由带负电的电子携带。但与研究人员的预期相反，他们的测量表明边缘电流不是由电子或空穴携带的，而是由一种不同寻常的准粒子携带的，这种准粒子既没有电荷也没有能量，但运动时没有阻力。尽管是单个物体，但观察到混合准粒子的成分在石墨烯边缘的相对侧移动。

“在无缝互连的石墨烯网络中使用这种新的准粒子开发电子产品将是未来电子产品发展的变革者，” de Heer说道。

de Heer表示，我们可能还需要五到十年的时间才能制造出第一个基于石墨烯的电子产品。但得益于团队新的外延石墨烯平台，这将比以往任何时候都更接近于将石墨烯成为硅的继任者。

  以上信息来源：科学网

转自：“易美云学术”微信公众号

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