生长在碳化硅衬底芯片上的石墨烯器件。图片来源：佐治亚理工学院
天津大学教授马雷团队联合美国佐治亚理工学院教授Walter de Heer团队，首次研制出可扩展的半导体石墨烯，这可能为开发一种速度更快、效率更高的新型计算机铺平道路。科学家在1月3日的《自然》报告了这一研究成果。
石墨烯是一种由单层碳原子构成的材料，在同等厚度下比钢更坚固。它是一种极好的导电体，并且耐热、耐酸。尽管石墨烯半导体具有诸多优势，科学家却一直未能研制出一种可以随意控制导电或绝缘的石墨烯半导体，而这样的半导体是制造计算机逻辑芯片的关键。
问题就出在缺乏所谓带隙。半导体除了有高能带和低能带外，还有一个点——带隙。在这个点上，被激发的电子可以从一个能量带跃迁到另一个能量带。这可以有效打开和关闭电流，从而控制导电开关，同时创造了数字计算机中使用0和1的二进制系统。
虽然之前的研究表明，石墨烯可以在小范围内发挥半导体的作用，但它从未被放大到足以制造计算机芯片的尺寸。早期研究表明，石墨烯薄片上的褶皱、圆丘和孔洞会对电流产生不同寻常的影响，从而有可能通过设计合适的缺陷制造逻辑芯片。但到目前为止，石墨烯的生产规模仍然难以扩大。
在这项新研究中，研究人员通过在石墨烯中引入带隙，展示了一种可以控制电流开关的晶体管，这种开关可以阻止或允许电流通过。由于该技术与制造硅芯片的技术没有什么不同，因此这种工艺或更有利于规模化生产。
研究人员使用了加热的碳化硅晶片，迫使硅在碳之前蒸发，从而有效地在表面留下一层石墨烯。研究人员表示，石墨烯半导体的电学性能远远好于硅芯片。De Heer说：“这就像在砾石路上开车和在高速公路上开车一样。”
硅芯片的制造成本很低，而且有全球庞大的制造基础设施作为后盾，但目前硅芯片已逼近极限。摩尔定律指出，电路中晶体管的数量大约每两年翻一番，但近年来微型化的速度已经放缓，因为工程师已使电路密度达到了极限，超过这个密度，电子就无法可靠地控制。虽然石墨烯电路可以重振希望，但障碍依然存在。
英国萨里大学David Carey对这一最新进展是否意味着硅芯片会很快转向石墨烯芯片持怀疑态度，一方面是因为新的研究需要在晶体管尺寸、质量和制造技术方面进行大量改进，另一方面是因为硅芯片具有领先优势。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06811-0
