今天小編分享的科技經驗：世界首個石墨烯半導體登Nature，中國團隊為摩爾定律續命10年！，歡迎閲讀。
【新智元導讀】石墨烯大法好！天津大學和佐治亞理工學院的研究者，造出了世界首個由石墨烯制成的半導體。打開石墨烯帶隙，實現的是從 0 到 1 的裏程碑級突破。摩爾定律，還能再續命十年。
硅，是所有電子產品的終結嗎？
這個紀錄，被石墨烯打破了！
天津大學和佐治亞理工學院的研究者，造出了世界首個由石墨烯制成的功能半導體。
團隊的突破，為新的電子產品打開了大門。研究已經登上 Nature。
這項研究，成功地攻克了長期以來阻礙石墨烯電子學發展的關鍵技術難題，打開了石墨烯帶隙，實現了從「0」到「1」的突破。
有網友驚嘆道：這簡直是掀起了電子學的革命，外延石墨烯的突破，可以讓「摩爾定律」再續命數十年！
原來，硅只是一個開始。
這一發現，可能會永遠改變計算和電子學。
石墨烯研究幾十年障礙被突破
半導體是在特定條件下導電的材料，是電子設備的基礎部件。
而團隊的發現，正值硅的性能到達極限之時。
以往，硅是幾乎所有現代電子產品的原材料，但越來越快的計算、越來越小的電子設備，讓這條路線越來越捉襟見肘。
英偉達 CEO 老黃就經常説，摩爾定律已死。
此時，石墨烯重磅出場了！
石墨烯是由已知的最強鍵結合在一起的單片碳原子
要知道，天然的石墨烯，不是半導體，也不是金屬，而是半金屬。
不過，由佐治亞理工學院的物理學教授 Walter de Heer 領導的團隊，造出了一種可以與傳統的微電子加工方法兼容的石墨烯半導體。
因此，這種半導體可以成為硅的替代品。
為什麼以前沒有人想到可以用石墨烯替代硅呢？
這是因為，幾十年來一直有一個最大的障礙困擾着石墨烯研究，以至于許多人笃定地認為，石墨烯無法作為半導體。
這個障礙就是，石墨烯沒有「帶隙」。
在這個點上，被激發的電子可以從一個能量帶躍遷到另一個能量帶。這可以有效打開和關閉電流，從而控制導電開關，同時創造了數字計算機中使用 0 和 1 的二進制系統。
顯示導體、半導體和絕緣體的不同尺寸帶隙的帶隙圖
而這一障礙，被 de Heer 教授和團隊克服了。
de Heer 教授介紹説，「如今我們擁有一種非常堅固的石墨烯半導體，遷移率達到了硅的 10 倍，還具有硅所不具備的獨特特性。」
「但在過去十年裏，我們每天絞盡腦汁做的事情就是——能不能讓石墨烯材料變得更好，可以變成半導體？」
20 年前，他就知道石墨烯的潛力
石墨烯聲名大噪，跟 10 年兩位英國科學家「手撕透明膠帶得諾獎」的故事有關。
不過在那之前，就有許多人相信石墨烯在電子學方面的潛力。
當成片堆疊時，石墨烯可以形成具有獨特性能的結晶透明結構，被稱為「奇迹材料」。
它是已知最薄、最輕的材料之一，據估計，石墨烯比金剛石更硬，比結構鋼強約 100 到 300 倍。
一平方米的石墨烯重量僅為 0.0077 克，但最多可支撐 4 公斤。它還可以彎曲自身長度的 20% 而不會斷裂。
石墨烯中碳原子的蜂窩狀排列促進了電子的自由運動，超高載的流子遷移率，能讓電子跑得非常快，實現眾多酷炫的科幻材料性能，比如觸摸屏、隐形飛機等等。
在職業生涯早期，De Heer 教授就開始探索碳基材料作為潛在半導體的能力，在 2001 年，他把注意力轉向二維石墨烯。
團隊希望，能将石墨烯的三個特性引入電子產品：1. 堅固；2. 處理很大的電流；3. 在無需加熱和分離的情況下就能工作。
在實驗過程中，團隊想到了用特殊的熔爐，在碳化硅晶圓上讓石墨烯生長出來。
他們如願取得了突破，制出了在碳化硅晶體面上生長的單層外延石墨烯。
他們發現，如果制作方法正确，外延石墨烯就會和碳化硅發生化學結合，開始顯示出半導體的特性。
接下來的十年裏，佐治亞理工學院團隊一直在這種材料，并且和天津大學的天津納米顆粒與納米系統國際研究中心展開合作。
TICNN 主任馬雷
關鍵突破：将電子「捐贈」給系統，遷移率比硅高了 10 倍
自然情況下，石墨烯既不是半導體也不是金屬，而是半金屬。
帶隙是一種在施加電場時可以打開和關閉的材料，所有晶體管和硅電子器件，都是依靠這樣的工作原理。
石墨烯電子學研究的主要問題，就是如何打開和關閉帶隙，好讓石墨烯像硅一樣工作。
但是，如果想要制造功能性的晶體管，就必須讓大部分半導體材料是可控的，這就可能會破壞石墨烯的性能。
為了證明石墨烯可以作為半導體發揮作用，團隊就需要在不損壞它的情況下，測量出它的電子特性。
研究者将原子放在石墨烯上，将電子「捐贈」給系統——這種是一種被稱為「摻雜」（doping）的技術，用于查看材料是否是良導體。這樣，就不需要損壞石墨烯的材料或性能了。
研究人員使用了加熱的碳化硅晶片，迫使硅在碳之前蒸發，從而有效地在表面留下一層石墨烯。
結果表明，石墨烯半導體的遷移率比硅高了 10 倍。
電子可以以極低的電阻移動，這就在電子學中轉化為更快的計算速度。
「就像在碎石路而非高速公路上行駛一樣。前者的效率更高，不會過度升温，而且速度很快，可以讓電子快速移動。」de Heer 教授解釋道。
這款石墨烯產品，是目前唯一具有納米電子學必需特性的二維半導體，它的電子性能遠遠優于目前正在開發的其他二維半導體。
天津納米顆粒與納米系統國際研究中心主任、論文合著者馬雷表示——
石墨烯電子學長期存在的問題，就是石墨烯沒有正确的帶隙，無法以正确的比例打開和關閉。我們的技術實現了帶隙，這是實現石墨烯基電子產品最關鍵的一步。
萊特兄弟時刻
這種外延石墨烯，很可能會在電子領網域引起範式轉變，并且催生出眾多全新的技術。
它能允許利用電子的量子力學波特性，這正是量子計算所要求的。
根據 de Heer 教授的預測，可以期待下一代電子產品的問世了。在硅之前，有真空管，再之前，有電線和電報。
在電子學歷史上，硅只是其中一段時間的形态，下一步，很可能就是石墨烯。
de Heer 教授表示，對自己而言，這就像一個「萊特兄弟」時刻。
萊特兄弟造出一架飛機，可以在空中飛行 300 英尺。懷疑論者問：既然世界上已經有了火車和輪船，為什麼還需要飛機呢？但他們堅持了下來，此後，飛機可以帶人們橫跨海洋。
超高遷移率半導體
石墨烯中缺乏固有的帶隙。在過去的二十年中，試圖通過量子約束或化學功能化來改變帶隙的嘗試一直沒能成功。
而在這篇工作中，研究人員展示了單晶碳化硅襯底上的半導體表石烯（SEG）具有 0.6 eV 的帶隙，并達到了超過 5000 的室温遷移率，比硅大 10 倍，比其他二維半導體大 20 倍。
——也就是説，可行的半導體石墨烯誕生了。
當硅從碳化硅晶體表面蒸發時，富碳表面結晶產生石墨烯多層膜。在 SiC 的硅端端面上形成的第一個石墨層是絕緣表皮烯層，該層部分共價鍵合到 SiC 表面。
緩衝層的光譜測量顯示出半導體特征，但由于無序，本層的遷移率受到限制。
在本文中，研究人員展示了一種準平衡退火方法，在宏觀原子平坦的階地上產生 SEG（即有序的緩衝層），SEG 晶格與 SiC 襯底對齊。
SEG 在化學、機械和熱學方面都具有堅固性，可以使用傳統的半導體制造技術進行圖案化，并無縫連接到半金屬表墨烯。這些基本特性使 SEG 适用于納米電子學。
SEG 的誕生過程
如下圖（a）（b）所示，傳統的表石烯和緩衝層在密閉控制升華（CCS）爐中生長，其中 3.5mm × 4.5mm 半絕緣 SiC 芯片在圓柱形石墨坩埚中在 1 bar 的 Ar 中退火，温度範圍為 1300 °C 至 1600 °C ( 下圖（c）所示 ) 。
坩埚由射頻源在線圈中感應的渦流加熱，坩埚上有一個小泄漏，硅從坩埚中逸出的速率決定了石墨烯在表面形成的速率。因此，生長温度和石墨烯形成速率受到控制。
将兩個芯片堆疊在一起，底部芯片（source）的 C 面朝向頂部芯片（seed）的 Si 面。
在高温下，芯片之間的微小温差會導致從底部芯片到頂部芯片的淨質量流，從而在種子（seed）芯片上逐步生長出大梯田，并在其上生長均勻的 SEG 薄膜。
SEG 分三個階段生長：
第一階段，将芯片在真空中加熱至 900°C 約 25 分鍾以清潔表面；
第二階段，在 1 bar 的 Ar 中将樣品加熱至 1,300°C 約 25 分鍾，產生規則的雙層 SiC 台階陣列和大約 0.2μm 寬的階梯。
第三階段，SEG 塗層階地在 1600°C、1 bar 的 Ar 中生長，其中階梯聚束和階梯流產生大型原子扁平階地，緩衝層在 C 面和 Si 面之間建立的準平衡條件下生長。
過程中最重要的參數是温度 T、切屑之間的温差 ΔT 和退火時間 t，當 T=1600 – 1700°C 時，退火時間通常為 1-2 小時。温差 ΔT 取決于坩埚設計，估計為 10°C 左右，以在兩個芯片之間提供足夠的質量傳遞所需的蒸氣壓差。
SEG 表征
下圖（a）展示了 3.5 mm×4.5 mm 晶圓的復合電子顯微鏡（SEM）影像。
SEM 經過調整，可在 SiC（白色區網域）和 SEG（灰色區網域）之間提供鮮明的對比。大約 80% 的表面被 SEG 覆蓋。石墨烯會顯示為深色斑塊（這裏看到的黑點是灰塵顆粒）。最大的無台階區網域約為 0.5mm×0.3mm。
圖（b）是 SEG 的低温原子分辨率影像，使用掃描隧道顯微鏡（STM）。
STM 影像顯示了石墨烯蜂窩晶格（綠色），該晶格在空間上被超周期結構（紅色菱形和紫色六邊形）調制，對應于約 100 pm 的 SEG 高度調制，因為與襯底的部分共價鍵合。
低能電子衍射（LEED）用于識别 SEG 并驗證其與 SiC 襯底的原子配準。
上圖（c）為 SEG 晶格的特征性 6√3×6√3 R30° 衍射圖（LEED），顯示了 SEG 的石墨烯晶體結構，以及 SEG 相對于 SiC 襯底原子的晶體排列。在傳統生產的緩衝層樣品中沒有豐富的石墨烯痕迹。
圖（d）是分辨率為 1μm 的 50μm×50μm 區網域拉曼圖，拉曼光譜（1 – 100 μm）對石墨烯和 SEG 非常敏感，石墨烯的痕量很容易通過其強烈的特征 2D 峰來識别，結果表明表面上沒有任何石墨烯。
圖（e）顯示了 SEG 的低温 STS 影像，将 SEG 的态密度（DOS）映射為費米能量的函數。影像展示了 0.6 eV 的明确帶隙。
SEG 傳輸屬性
圖（a）展示了樣品的電導率随着温度的升高而單調增加。室温電導率範圍為 1e-3 S 至 8e-3 S，對應于 125Ω 至 330Ω 的電阻率 ρ。低温值最多可縮小 1000 倍。
圖（b）表示電荷密度，STS 測量表明，SEG 本質上是電荷中性的，因此充電是由環境氣體（包括痕量揮發性有機化合物）和光刻加工的殘餘電阻引起的。
圖（d）顯示了材料的遷移率随着温度的升高而增加，在較高温度下趨于飽和。測得的最大遷移率為 5500。
室温 SEG 電導率、電荷密度和遷移率都在表石烯的典型範圍内。然而，温度依賴性類似于具有深受體态的摻雜半導體。
通過測得的半導體和 DOS，我們可以預測場效應晶體管的響應：
圖（a）為使用計算的 DOS 預測 SEG 通道電阻率，假設理想電介質，SEG 遷移率為 4000，預測室温開斷比超過 1e6 。
圖（b）表示電荷密度與 fermi energy 的關系。T=300K 時，N 和 P 分支的導通電壓預計分别為 +0.34V 和 −0.23V。
