@ 2015.10.01 , 17:42

大突破:石墨烯终于实现开关操作

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石墨烯是一种排列成蜂窝网格状的单层碳原子,它有着很多惊人的属性。自从2003年它被发现以来,人们就发现它具有优越的强度、导热性和导电性。最后的这个属性让石墨烯成为连接微型电路的理想材料,但是理论上来说,除了这个功能,它们还能用于制造计算机部件——例如晶体管本身。

为了实现这一点,石墨烯不仅要有良好的导电性,还要能像半导体一样工作,这是电子部件实现开关操作的关键。半导体内存在一种能带隙:用于激发电子的能量被储存在无法导电的价带中,而如果在导带中就可以导电。这个能带隙需要足够大才能让晶体管有明显的“开”和“关”状态的区别,因为只有这样才能准确无误地处理信息。

一般的石墨烯是没有能带隙的——它的价带和导带有点像金属,经常是参杂在一起的。尽管如此,科学家们还是试图将它们分离。通过将它们做成各种奇特的形状(例如带状),能带隙能释放约100meV的电压,但是这对于电子器件来说,还是太小了。

美国乔治亚理工学院的爱德华·康拉德及其同事用外延生长的方式制造石墨烯。通过这种方式,碳化硅基层(SiC)能被加热到1360摄氏度,在这种情况下基层会开始分解并且形成石墨烯层。研究者们发现最开始的这些层状物(一般被称为中间层)能以一种高周期性的方式连接在SiC的基层上,从而形成了一个能产生大于0.5eV的能带隙。

德国康士坦兹大学的物理学家,吉多·伯卡德评论说这项研究:“几乎,但是仍未”达到一般半导体的能带隙大小。“用这种方式做出的石墨烯是否也和之前研究的石墨烯样本一样拥有良好的电学性能尚待分晓。”他又补充说,“当然,这次所报道的结果已经令人充满了希望”。

康拉德和同事们用外延法制造半导体石墨烯并不是一种新方法。在2006年,伯克利大学的亚历桑德拉所领导的小组就发现外研法,并且能够产生0.26eV的能带隙。康拉德说他们之间的主要区别就是生长方式的不同。“我们发现晶体有序性对于得到能带隙特别重要,但是他们没有发现这一点”,他解释说。

康拉德和同事们发现,如果将石墨烯生长的温度从最适情况降低20摄氏度,能带隙就不存在了。康拉德将现在比作硅电子的早期:“60年代的硅晶体管早期,最重要的就是寻找高度有序的晶体了”,并且现在高价的碳化硅晶片并不是问题。“那时他们卖的第一批晶体管售价大约1500美元。所以重点是谁先得到这项技术,之后才是担心成本问题。”

康拉德说他在佐治亚理工的同事们已经开始用他的半导体性石墨烯来制造晶体管了,并且能够用一百万比一的电流开关比率来控制——这比一般的电子器件快了10倍。“看来它真的能起作用了”,他说。

本文译自 Scientific American,由译者 Elyn 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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