该团队的石墨烯器件生长在碳化硅衬底芯片上。图片来源：佐治亚理工学院
佐治亚理工学院的科学家开发了世界上第一个由石墨烯制成的功能性半导体。石墨烯的特点是单层碳原子通过最强的键连接，是这一进步的基础。半导体是允许在特定条件下电流流动的基本材料，对于电子设备的运行至关重要。该团队的突破为一种新的电子产品方式打开了大门。
他们的发现正值硅（几乎所有现代电子产品的制造材料）在面对越来越快的计算和越来越小的电子设备时达到极限的时候。佐治亚理工学院物理学教授沃尔特·德希尔（Walter de Heer）领导了一个位于佐治亚州亚特兰大和中国天津的研究人员团队，生产了一种与传统微电子加工方法兼容的石墨烯半导体，这是任何可行的硅替代品的必要条件。
在这项发表在《自然》杂志上的最新研究中，de Heer和他的团队克服了几十年来一直困扰石墨烯研究的首要障碍，以及许多人认为石墨烯电子学永远不会起作用的原因。它被称为“带隙”，是一种关键的电子特性，允许半导体打开和关闭。直到现在，石墨烯还没有带隙。
石墨烯和碳化硅的分子模型。图片来源：佐治亚理工学院
“我们现在拥有一种极其坚固的石墨烯半导体，其迁移率是硅的10倍，并且还具有硅所没有的独特特性，”de Heer说。“但过去10年我们工作的故事是，’我们能不能让这些材料足够好，可以工作？’”
一种新型半导体
De Heer在职业生涯早期就开始探索碳基材料作为潜在的半导体，然后在2001年转向探索二维石墨烯。他当时就知道石墨烯在电子方面具有潜力。
“我们的动机是希望将石墨烯的三种特殊特性引入电子产品，”他说。“这是一种非常坚固的材料，可以处理非常大的电流，并且不会加热和分崩离析。
De Heer和他的团队想出了如何使用特殊熔炉在碳化硅晶圆上生长石墨烯，从而取得了突破。他们生产了外延石墨烯，这是生长在碳化硅晶体表面的单层。研究小组发现，当它被正确制造时，外延石墨烯与碳化硅化学键合并开始显示出半导体特性。
在接下来的十年里，他们坚持在佐治亚理工学院完善材料，后来又与中国天津大学天津国际纳米粒子和纳米系统中心的同事合作。De Heer于2014年与该中心主任、该论文的合著者Lei 马一起创立了该中心。
他们是如何做到的
就其自然形式而言，石墨烯既不是半导体也不是金属，而是一种半金属。带隙是一种在施加电场时可以打开和关闭的材料，这就是所有晶体管和硅电子器件的工作方式。石墨烯电子学研究的主要问题是如何打开和关闭它，以便它可以像硅一样工作。
但要制造功能晶体管，必须对半导体材料进行大量操作，这可能会损害其性能。为了证明他们的平台可以作为一种可行的半导体发挥作用，该团队需要在不损坏它的情况下测量其电子特性。
De Heer的专利感应炉用于在碳化硅上生产石墨烯。图片来源：佐治亚理工学院
他们将原子放在石墨烯上，向系统“捐赠”电子 – 一种称为掺杂的技术，用于查看材料是否是良导体。它在不损坏材料或其特性的情况下工作。
该团队的测量表明，他们的石墨烯半导体的迁移率是硅的10倍。换句话说，电子以非常低的电阻移动，在电子学中，这意味着更快的计算速度。“这就像在碎石路上行驶与在高速公路上行驶一样，”德希尔说。“它效率更高，不会升温那么多，而且它允许更高的速度，以便电子可以更快地移动。
该团队的产品是目前唯一具有用于纳米电子学的所有必要特性的二维半导体，其电性能远远优于目前正在开发的任何其他二维半导体。
“石墨烯电子学中一个长期存在的问题是石墨烯没有正确的带隙，无法以正确的比例打开和关闭，”马说。“多年来，许多人试图用各种方法解决这个问题。我们的技术实现了带隙，是实现石墨烯基电子学的关键一步。
被切割成方形芯片的单晶碳化硅晶圆。图片来源：佐治亚理工学院
前进
外延石墨烯可能会引起电子领域的范式转变，并允许利用其独特性能的全新技术。该材料允许利用电子的量子力学波特性，这是量子计算的要求。
“我们做石墨烯电子学的动机已经存在了很长时间，剩下的就是让它发生，”de Heer说。“我们必须学习如何处理材料，如何让它变得越来越好，最后如何测量性能。这花了非常非常长的时间。
根据 de Heer 的说法，看到新一代电子产品即将问世并不罕见。在硅之前，有真空管，在此之前，有电线和电报。硅是电子学史上的众多步骤之一，下一步可能是石墨烯。
“对我来说，这就像莱特兄弟的时刻，”德希尔说。“他们建造了一架可以在空中飞行300英尺的飞机。但怀疑论者问道，既然世界已经有了快速的火车和轮船，为什么还需要飞行。但他们坚持了下来，这是一项可以带领人们跨越大洋的技术的开始。
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