石墨烯晶体管超强的性能——将会取代硅晶体管

日期:2020/3/18   来源: 老胡说科学   发布者:石墨烯 浏览:31130 复制

当我11岁的时候,我组装自己的第一台电脑。在建造它的过程中,我不得不研究电脑部件。



然而,在组装了那台电脑之后,我并没有停止研究电脑零件。当我阅读所有发现的信息时,我开始对cpu及其功能着迷。现代电脑的CPU在一平方毫米内拥有超过1亿个晶体管。


对于大多数用户来说,现代的cpu足以完成日常任务。然而,我发现cpu实际上在过去十年中并没有变得更快。这是一个问题。科学家们也知道这是个问题。这就是为什么他们开始寻找硅晶体管的替代材料。他们发现了石墨烯。


石墨烯的性质


石墨烯获得“神奇材料”的称号是有充分理由的。组成它的元素,碳,是地球上最丰富的元素之一,但只是简单地以一种独特的方式排列。它只有一个原子的厚度。



石墨烯的强度是钢的200倍,重量是钢的6分之一,导电性是硅的100倍(就电子迁移率而言),导电性是铜的13倍。由于它只有一个原子的厚度,所以材料实际上是二维的。每平方米石墨烯的重量为0.77毫克,因此不足一克的石墨烯就可以覆盖整个足球场。


科学家们得出结论,鉴于这些特性,石墨烯可以被广泛应用于建筑、轻型装甲、消费品和电子产品等领域。但在某个环节出现了一些问题,因为我们没有在任何地方看到石墨烯,这是为什么?


石墨烯是一种很难制造的材料。尽管它只是碳原子,但是要在相当大的规模上将碳原子排列在二维的六角形晶格中是非常困难的。仅一个缺陷就足以弄乱整个结构并大大降低材料的性能。


石墨烯的质量和数量取决于石墨烯的制备方法。虽然有很多,我只会带你通过两个最重要的:透明胶带方法和化学蒸汽沉积法。


石墨烯生产


透明胶带法



这是从石墨中提取石墨烯的最便宜、最简单、最优质的方法。这很简单,也可以在家里做。石墨是你用来写字的铅笔的一部分,实际上你可以从铅笔的尖端提取石墨烯。


把一根胶带粘在一块石墨上,把它撕掉,注意到胶带上有一些石墨残渣。然后,反复粘贴和剥离胶带,直到胶带上剩下的石墨只有一个原子那么厚。这就是石墨烯。


石墨烯就是这样被发现的。这种方法可以制备出高质量的石墨烯薄片。它的缺点是浪费胶带和时间,而且一次只能产生很少的石墨烯。


化学气相沉积(CVD)



化学气相沉积首先是将碳在高温下蒸发,然后将其置于沉积基板上。衬底是某种物质(石墨烯)沉积在其上的表面。石墨烯将在5分钟内开始在基板上形成。


然后,使用金属催化剂将过程所需温度从2500℃降至1000℃。必须格外小心,以降低催化剂在石墨烯中产生杂质的风险。然后将沉积基板的石墨烯层置于目标基板上。将金属电极置于石墨烯上,然后将石墨烯通道塑造成所需的形状和尺寸。


CVD可以制备出高质量的高容量石墨烯。然而,这个过程是昂贵和复杂的,涉及许多复杂的步骤。时至今日,这仍然是石墨烯生产中最全面的方法。


石墨烯半导体


石墨烯并非制造石墨烯晶体管的唯一挑战。这是因为石墨烯并不完全是半导体,因为所有的价电子都与同一元素原子的其他价电子共价结合,从而没有空间分散电子。



硅原子间共价结合

这很容易通过一种叫做掺杂的过程来改变,它将杂质引入元素,在掺杂元素的结构中产生空穴或多余的电子。


然而,石墨烯是不同的。在一个六边形图案中,每个碳原子与另外3个相连,每个碳原子留下1个电子。电子可以毫无阻力地穿过整个结构,有效地使石墨烯成为导体。这是有问题的,因为我们需要石墨烯成为半导体。


半导体由带隙定义。带隙是激发电子从其价带(其不能导电)跃迁到导带(其可以导电)所需的能量。简而言之,带隙使晶体管具有“关闭”的能力,这对于晶体管的功能是必需的。



半导体的带隙

绝缘体带隙大,导体带隙小。半导体通常有一个中等大小的带隙。如果石墨烯是导体,它就不会有带隙,也没有关闭的能力,使得它作为晶体管材料毫无用处。


然而,科学家们用双层石墨烯(实际上是两层石墨烯)创造了一种解决方案。双层石墨烯与单层石墨烯一样,没有带隙。但是通过在石墨烯的两层上都施加一个电位移场,就可以产生一个可调的带隙。这个带隙可以控制在0 - 0.25 ev的范围内。这使得石墨烯可以作为半导体。



2种双层石墨烯

尽管在石墨烯上设计带隙是制造石墨烯晶体管的有效方法,但它有很多缺陷。这是一个复杂而昂贵的过程,同时也损害了石墨烯优越的性能。


幸运的是,西班牙的研究人员发现了一个经济的解决方案,用与硅类似的带隙(1ev)来制造石墨烯。这使石墨烯在晶体管和cpu的使用上成为比硅更好的选择。


加泰罗尼亚纳米科学和纳米技术研究所采用了一种自底向上的方法来制造石墨烯(自底向上意味着原子和分子被单独放置以构建特定的结构),并为电子使用提供了完美的带隙。


他们通过在石墨烯上装配纳米孔(一个非常小的孔)来实现这一点,使这些孔具有完美的形状、大小和密度,从而创造出最佳的带隙。后来,石墨烯被制成了场效应晶体管(与当前cpu使用的晶体管类型相同),以证明其有效性。



既然石墨烯已被证明是制造晶体管的一种非常可行的材料,对计算能力的需求就有可能得到满足。当然,这项技术要花上几年的时间才能最终适应。然而,一旦成功,这对整个科技市场来说都是件好事。


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