k8凯发(中国)天生赢家·一触即发

　　石墨烯大法好ღ✿ღღ！天津大学和佐治亚理工学院的研究者ღ✿ღღ，造出了世界首个由石墨烯制成的半导体ღ✿ღღ。打开石墨烯带隙ღ✿ღღ，实现的是从0到1的里程碑级突破ღ✿ღღ。摩尔定律ღ✿ღღ，还能再续命十年ღ✿ღღ。

　　这项研究ღ✿ღღ，成功地攻克了长期以来阻碍石墨烯电子学发展的关键技术难题ღ✿ღღ，打开了石墨烯带隙ღ✿ღღ，实现了从「0」到「1」的突破ღ✿ღღ。

　　有网友惊叹道ღ✿ღღ：这简直是掀起了电子学的革命ღ✿ღღ，外延石墨烯的突破ღ✿ღღ，可以让「摩尔定律」再续命数十年ღ✿ღღ！

　　以往ღ✿ღღ，硅是几乎所有现代电子产品的原材料ღ✿ღღ，但越来越快的计算ღ✿ღღ、越来越小的电子设备ღ✿ღღ，让这条路线越来越捉襟见肘ღ✿ღღ。

　　不过ღ✿ღღ，由佐治亚理工学院的物理学教授Walter de Heer领导的团队ღ✿ღღ，造出了一种可以与传统的微电子加工方法兼容的石墨烯半导体ღ✿ღღ。

　　这是因为ღ✿ღღ，几十年来一直有一个最大的障碍困扰着石墨烯研究ღ✿ღღ，以至于许多人笃定地认为ღ✿ღღ，石墨烯无法作为半导体ღ✿ღღ。

　　在这个点上ღ✿ღღ，被激发的电子可以从一个能量带跃迁到另一个能量带ღ✿ღღ。这可以有效打开和关闭电流ღ✿ღღ，从而控制导电开关ღ✿ღღ，同时创造了数字计算机中使用0和1的二进制系统ღ✿ღღ。

　　‍de Heer教授介绍说ღ✿ღღ，「如今我们拥有一种非常坚固的石墨烯半导体ღ✿ღღ，迁移率达到了硅的10倍ღ✿ღღ，还具有硅所不具备的独特特性ღ✿ღღ。」

　　「但在过去十年里ღ✿ღღ，我们每天绞尽脑汁做的事情就是——能不能让石墨烯材料变得更好ღ✿ღღ，可以变成半导体？」

　　一平方米的石墨烯重量仅为0.0077克好神途ღ✿ღღ，但最多可支撑4公斤ღ✿ღღ。它还可以弯曲自身长度的20%而不会断裂ღ✿ღღ。

　　石墨烯中碳原子的蜂窝状排列促进了电子的自由运动ღ✿ღღ，超高载的流子迁移率ღ✿ღღ，能让电子跑得非常快ღ✿ღღ，实现众多酷炫的科幻材料性能ღ✿ღღ，比如触摸屏好神途ღ✿ღღ、隐形飞机等等ღ✿ღღ。

　　在职业生涯早期ღ✿ღღ，De Heer教授就开始探索碳基材料作为潜在半导体的能力ღ✿ღღ，在2001年ღ✿ღღ，他把注意力转向二维石墨烯好神途ღ✿ღღ。

　　团队希望ღ✿ღღ，能将石墨烯的三个特性引入电子产品ღ✿ღღ：1.坚固ღ✿ღღ；2.处理很大的电流ღ✿ღღ；3.在无需加热和分离的情况下就能工作ღ✿ღღ。

　　接下来的十年里ღ✿ღღ，佐治亚理工学院团队一直在这种材料ღ✿ღღ，并且和天津大学的天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心展开合作ღ✿ღღ。

　　带隙是一种在施加电场时可以打开和关闭的材料ღ✿ღღ，所有晶体管和硅电子器件ღ✿ღღ，都是依靠这样的工作原理ღ✿ღღ。

　　但是ღ✿ღღ，如果想要制造功能性的晶体管ღ✿ღღ，就必须让大部分半导体材料是可控的ღ✿ღღ，这就可能会破坏石墨烯的性能ღ✿ღღ。

　　研究者将原子放在石墨烯上凯发一触即发ღ✿ღღ，将电子「捐赠」给系统——这种是一种被称为「掺杂」（doping）的技术ღ✿ღღ，用于查看材料是否是良导体ღ✿ღღ。这样ღ✿ღღ，就不需要损坏石墨烯的材料或性能了ღ✿ღღ。

　　「就像在碎石路而非高速公路上行驶一样ღ✿ღღ。前者的效率更高ღ✿ღღ，不会过度升温ღ✿ღღ，而且速度很快ღ✿ღღ，可以让电子快速移动ღ✿ღღ。」de Heer教授解释道ღ✿ღღ。

　　这款石墨烯产品ღ✿ღღ，是目前唯一具有纳米电子学必需特性的二维半导体ღ✿ღღ，它的电子性能远远优于目前正在开发的其他二维半导体ღ✿ღღ。

　　石墨烯电子学长期存在的问题ღ✿ღღ，就是石墨烯没有正确的带隙ღ✿ღღ，无法以正确的比例打开和关闭ღ✿ღღ。我们的技术实现了带隙ღ✿ღღ，这是实现石墨烯基电子产品最关键的一步ღ✿ღღ。

　　根据de Heer教授的预测ღ✿ღღ，可以期待下一代电子产品的问世了ღ✿ღღ。在硅之前ღ✿ღღ，有真空管ღ✿ღღ，再之前ღ✿ღღ，有电线和电报ღ✿ღღ。

　　莱特兄弟造出一架飞机ღ✿ღღ，可以在空中飞行300英尺ღ✿ღღ。怀疑论者问ღ✿ღღ：既然世界上已经有了火车和轮船ღ✿ღღ，为什么还需要飞机呢？但他们坚持了下来ღ✿ღღ，此后ღ✿ღღ，飞机可以带人们横跨海洋ღ✿ღღ。

　　石墨烯中缺乏固有的带隙ღ✿ღღ。在过去的二十年中ღ✿ღღ，试图通过量子约束或化学功能化来改变带隙的尝试一直没能成功ღ✿ღღ。

　　而在这篇工作中ღ✿ღღ，研究人员展示了单晶碳化硅衬底上的半导体表石烯（SEG）具有0.6 eV的带隙ღ✿ღღ，并达到了超过5000的室温迁移率凯发一触即发ღ✿ღღ，比硅大10倍好神途ღ✿ღღ，比其他二维半导体大20倍ღ✿ღღ。

　　当硅从碳化硅晶体表面蒸发时ღ✿ღღ，富碳表面结晶产生石墨烯多层膜ღ✿ღღ。在SiC的硅端端面上形成的第一个石墨层是绝缘表皮烯层ღ✿ღღ，该层部分共价键合到SiC表面凯发一触即发ღ✿ღღ。

　　在本文中ღ✿ღღ，研究人员展示了一种准平衡退火方法ღ✿ღღ，在宏观原子平坦的阶地上产生SEG（即有序的缓冲层）ღ✿ღღ，SEG晶格与SiC衬底对齐ღ✿ღღ。

　　SEG在化学凯发一触即发ღ✿ღღ、机械和热学方面都具有坚固性ღ✿ღღ，可以使用传统的半导体制造技术进行图案化ღ✿ღღ，并无缝连接到半金属表墨烯ღ✿ღღ。这些基本特性使SEG适用于纳米电子学ღ✿ღღ。

　　如下图（a）（b）所示ღ✿ღღ，传统的表石烯和缓冲层在密闭控制升华（CCS）炉中生长ღ✿ღღ，其中3.5mm × 4.5mm半绝缘SiC芯片在圆柱形石墨坩埚中在1 bar的Ar中退火ღ✿ღღ，温度范围为1300 °C至1600 °C (下图（c）所示) ღ✿ღღ。

　　坩埚由射频源在线圈中感应的涡流加热ღ✿ღღ，坩埚上有一个小泄漏ღ✿ღღ，硅从坩埚中逸出的速率决定了石墨烯在表面形成的速率ღ✿ღღ。因此ღ✿ღღ，生长温度和石墨烯形成速率受到控制ღ✿ღღ。

　　在高温下ღ✿ღღ，芯片之间的微小温差会导致从底部芯片到顶部芯片的净质量流凯发一触即发ღ✿ღღ，从而在种子（seed）芯片上逐步生长出大梯田ღ✿ღღ，并在其上生长均匀的SEG薄膜ღ✿ღღ。

　　第二阶段ღ✿ღღ，在1 bar的Ar中将样品加热至1,300°C约25分钟好神途ღ✿ღღ，产生规则的双层SiC台阶阵列和大约0.2μm宽的阶梯ღ✿ღღ。

　　第三阶段ღ✿ღღ，SEG涂层阶地在1600°Cღ✿ღღ、1 bar的Ar中生长ღ✿ღღ，其中阶梯聚束和阶梯流产生大型原子扁平阶地ღ✿ღღ，缓冲层在C面和Si面之间建立的准平衡条件下生长ღ✿ღღ。

　　过程中最重要的参数是温度Tღ✿ღღ、切屑之间的温差ΔT和退火时间tღ✿ღღ，当T=1600–1700°C时ღ✿ღღ，退火时间通常为1-2小时ღ✿ღღ。温差ΔT取决于坩埚设计ღ✿ღღ，估计为10°C左右ღ✿ღღ，以在两个芯片之间提供足够的质量传递所需的蒸气压差ღ✿ღღ。

　　SEM经过调整ღ✿ღღ，可在SiC（白色区域）和SEG（灰色区域）之间提供鲜明的对比ღ✿ღღ。大约80%的表面被SEG覆盖ღ✿ღღ。石墨烯会显示为深色斑块（这里看到的黑点是灰尘颗粒）ღ✿ღღ。最大的无台阶区域约为0.5mm×0.3mmღ✿ღღ。

　　STM图像显示了石墨烯蜂窝晶格（绿色）ღ✿ღღ，该晶格在空间上被超周期结构（红色菱形和紫色六边形）调制ღ✿ღღ，对应于约100 pm的SEG高度调制ღ✿ღღ，因为与衬底的部分共价键合ღ✿ღღ。

　　上图（c）为SEG晶格的特征性6√3×6√3 R30°衍射图（LEED）ღ✿ღღ，显示了SEG的石墨烯晶体结构ღ✿ღღ，以及SEG相对于SiC衬底原子的晶体排列ღ✿ღღ。在传统生产的缓冲层样品中没有丰富的石墨烯痕迹ღ✿ღღ。

　　图（d）是分辨率为1μm的50μm×50μm区域拉曼图ღ✿ღღ，拉曼光谱（1–100 μm）对石墨烯和SEG非常敏感ღ✿ღღ，石墨烯的痕量很容易通过其强烈的特征 2D峰来识别ღ✿ღღ，结果表明表面上没有任何石墨烯ღ✿ღღ。

　　图（e）显示了SEG的低温STS图像ღ✿ღღ，将SEG的态密度（DOS）映射为费米能量的函数ღ✿ღღ。图像展示了0.6 eV的明确带隙ღ✿ღღ。

　　图（a）展示了样品的电导率随着温度的升高而单调增加ღ✿ღღ。室温电导率范围为1e-3 S至8e-3 Sღ✿ღღ，对应于125Ω至330Ω的电阻率ρღ✿ღღ。低温值最多可缩小1000倍ღ✿ღღ。

　　图（b）表示电荷密度ღ✿ღღ，STS测量表明ღ✿ღღ，SEG本质上是电荷中性的ღ✿ღღ，因此充电是由环境气体（包括痕量挥发性有机化合物）和光刻加工的残余电阻引起的ღ✿ღღ。

　　图（d）显示了材料的迁移率随着温度的升高而增加ღ✿ღღ，在较高温度下趋于饱和ღ✿ღღ。测得的最大迁移率为5500ღ✿ღღ。

　　室温SEG电导率ღ✿ღღ、电荷密度和迁移率都在表石烯的典型范围内ღ✿ღღ。然而ღ✿ღღ，温度依赖性类似于具有深受体态的掺杂半导体ღ✿ღღ。

　　图（a）为使用计算的DOS预测SEG通道电阻率好神途ღ✿ღღ，假设理想电介质ღ✿ღღ，SEG迁移率为4000ღ✿ღღ，预测室温开断比超过1e6 ღ✿ღღ。集成电路ღ✿ღღ。K8天生赢家一触发ღ✿ღღ。半导体ღ✿ღღ。