計(jì)算機(jī)世界：石墨烯晶體管延續(xù)摩爾定律

　　眾所周知，根據(jù)半導(dǎo)體業(yè)著名的摩爾定律，芯片的集成度每18個(gè)月至2年提高一倍，即加工線寬縮小一半。人們普遍認(rèn)為，這一定律還能延續(xù)10年。提出該定律的摩爾本人也曾公開表示，10年之后，摩爾定律將很難繼續(xù)有效，因?yàn)椴捎媚壳暗墓に嚭凸杌雽?dǎo)體材料來延長(zhǎng)摩爾定律壽命的發(fā)展道路已逐漸接近終點(diǎn)。

　　世界上最小的晶體管

　　硅材料的加工極限一般認(rèn)為是10納米線寬。受物理原理的制約，小于10納米后不太可能生產(chǎn)出性能穩(wěn)定、集成度更高的產(chǎn)品。然而英國(guó)科學(xué)家發(fā)明的新型晶體管將延長(zhǎng)摩爾定律的壽命。該晶體管有望為研制新型超高速計(jì)算機(jī)芯片帶來突破。值得一提的是世界最小晶體管的主要研制者也是于2004年開發(fā)出石墨烯的人，他們就是英國(guó)曼切斯特大學(xué)物理和天文學(xué)系的安德烈·K·海姆（Andre Geim）教授和科斯佳·諾沃謝洛夫（Kostya Novoselov）研究員。正是因?yàn)殚_發(fā)出了石墨烯，他們獲得了2008年諾貝爾物理獎(jiǎng)的提名。

　　由上述兩人率領(lǐng)的英國(guó)科學(xué)家開發(fā)出的世界最小晶體管僅1個(gè)原子厚10個(gè)原子寬，所采用的材料是由單原子層構(gòu)成的石墨烯。石墨烯作為新型半導(dǎo)體材料，近年來獲得科學(xué)界的廣泛關(guān)注。英國(guó)科學(xué)家采用標(biāo)準(zhǔn)的晶體管工藝，首先在單層石墨膜上用電子束刻出溝道。然后在所余下的被稱為“島”的中心部分封入電子，形成量子點(diǎn)。石墨烯晶體管柵極部分的結(jié)構(gòu)為10多納米的量子點(diǎn)夾著幾納米的絕緣介質(zhì)。這種量子點(diǎn)往往被稱為“電荷島”。由于施加電壓后會(huì)改變?cè)摿孔狱c(diǎn)的導(dǎo)電性，這樣一來量子點(diǎn)如同于標(biāo)準(zhǔn)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管一樣，可記憶晶體管的邏輯狀態(tài)。另據(jù)報(bào)導(dǎo)，英國(guó)曼切斯特大學(xué)安德烈·海姆教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，除了已開發(fā)出了10納米級(jí)可實(shí)際運(yùn)行的石墨烯晶體管外，他們尚未公布的最新研究成果還有，已研制出長(zhǎng)寬均為1個(gè)分子的更小的石墨烯晶體管。該石墨烯晶體管實(shí)際上是由單原子組成的晶體管。

　　神奇的半導(dǎo)體材料

　　石墨烯開發(fā)者之一的曼切斯特大學(xué)諾沃謝洛夫博士指出，石墨烯是研究領(lǐng)域的“金礦”，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，研究人員將會(huì)陸續(xù)“開采”出新的研究成果。

　　那么石墨烯又為何物呢？石墨烯（Graphene）是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子薄膜，是由單層六角元胞碳原子組成的蜂窩狀二維晶體。換言之，它是單原子層的石墨晶體薄膜，其晶格是由碳原子構(gòu)成的二維蜂窩結(jié)構(gòu)。這種石墨晶體薄膜的厚度只有0.335納米，將其20萬片薄膜疊加到一起，也只相當(dāng)一根頭發(fā)絲的厚度。該材料具有許多新奇的物理特性。石墨烯是一種零帶隙半導(dǎo)體材料，具有遠(yuǎn)比硅高的載流子遷移率, 并且從理論上說，它的電子遷移率和空穴遷移率兩者相等，因此其n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管是對(duì)稱的。還有，因?yàn)槠渚哂辛憬麕匦?，即使在室溫下載流子在石墨烯中的平均自由程和相干長(zhǎng)度也可為微米級(jí), 所以它是一種性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料。此外，石墨烯還可用于制造復(fù)合材料、電池/超級(jí)電容、儲(chǔ)氫材料、場(chǎng)發(fā)射材料以及超靈敏傳感器等。因此科研人員爭(zhēng)先恐后地投入到如何制備和表征其物理、化學(xué)、機(jī)械性能的研究。

　　科學(xué)家們對(duì)石墨烯感興趣的原因之一是受到碳納米管科研成果的啟發(fā)。石墨烯很有可能會(huì)成為硅的替代品。事實(shí)上，碳納米管就是卷入柱面中的石墨烯微片，與碳納米管一樣，其具有優(yōu)良的電子性能，可用來制成超高性能的電子產(chǎn)品。它優(yōu)于碳納米管的是，在制作復(fù)雜電路時(shí)，納米管必須經(jīng)過仔細(xì)篩選和定位，目前還沒有開發(fā)出非常好的方法，而這對(duì)石墨烯而言則要容易得多。

　　硅基的微計(jì)算機(jī)處理器在室溫條件下每秒鐘只能執(zhí)行一定數(shù)量的操作，然而電子穿過石墨烯幾乎沒有任何阻力，所產(chǎn)生的熱量也非常少。此外，石墨烯本身就是一個(gè)良好的導(dǎo)熱體，可以很快地散發(fā)熱量。由于具有優(yōu)異的性能，由石墨烯制造的電子產(chǎn)品運(yùn)行的速度要快得多。有關(guān)專家指出: “硅的速度是有極限的，只能達(dá)到現(xiàn)在這個(gè)地步，無法再提高了。”目前，硅器件的工作速度已達(dá)到千兆赫茲的范圍。而石墨烯器件制成的計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度可達(dá)到太赫茲，即1千兆赫茲的1000倍。如果能進(jìn)一步開發(fā)，其意義不言而喻。

　　除了讓計(jì)算機(jī)運(yùn)行得更快，石墨烯器件還能用于需要高速工作的通信技術(shù)和成像技術(shù)。有關(guān)專家認(rèn)為，石墨烯很可能首先應(yīng)用于高頻領(lǐng)域，如太赫茲波成像，其一個(gè)用途是用來探測(cè)隱藏的武器。然而，速度還不是石墨烯的惟一優(yōu)點(diǎn)。硅不能分割成小于10納米的小片，否則其將失去誘人的電子性能。與硅相比，石墨烯分割成一個(gè)納米的小片時(shí)，其基本物理性能并不改變，而且其電子性能還有可能異常發(fā)揮。

　　研究成果陸續(xù)發(fā)布

　　馬里蘭大學(xué)納米技術(shù)和先進(jìn)材料中心的物理學(xué)教授Michael S. Fuhrer領(lǐng)導(dǎo)的科研小組的實(shí)驗(yàn)表明，石墨烯的電子遷移率不隨溫度而改變。他們?cè)?0開氏度和500開氏度之間測(cè)量了石墨烯的電子遷移率，發(fā)現(xiàn)無論溫度怎么變化，電子遷移率大約都是150000 cm2/Vs。而硅的電子遷移率為1400 cm2/Vs。電子在石墨烯中的傳輸速度比硅快100倍，因而未來的半導(dǎo)體材料是石墨烯而不是硅。這將使開發(fā)更高速的計(jì)算機(jī)芯片和生化傳感器成為可能。他們還首次測(cè)量了石墨烯中電子傳導(dǎo)的熱振動(dòng)效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，石墨烯中電子傳導(dǎo)的熱振動(dòng)效應(yīng)非常微小。

　　中科院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院明平兵研究員及合作者劉芳、李巨的計(jì)算結(jié)果表明，預(yù)測(cè)石墨烯的理想強(qiáng)度為110GPa～121GPa。這意味著石墨烯是目前人類已知的最為牢固的材料。

　　美國(guó)哥倫比亞大學(xué)James Hone和Jeffrey Kysar研究組在2008年7月《科學(xué)》雜志中宣布，石墨烯是現(xiàn)在世界上已知的最為堅(jiān)固的材料。他們發(fā)現(xiàn)，在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，其每100納米距離上可承受的最大壓力達(dá)到約2.9微牛。這一結(jié)果相當(dāng)于，施加55牛頓的壓力才能使1米長(zhǎng)的石墨烯斷裂。

　　如果能制作出厚度相當(dāng)于塑料包裝袋（厚度約100納米）的石墨烯，那么需要施加約兩萬牛頓的壓力才能將其扯斷。這意味著石墨烯比鉆石還要堅(jiān)硬。

　　2008年9月26日的《科學(xué)》 雜志上公布，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室固態(tài)量子信息實(shí)驗(yàn)室的博士生蔡偉偉赴美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯丁分校期間，在Rodney Ruoff教授和陳東敏研究員指導(dǎo)下，制備出高品質(zhì)13C同位素合成石墨, 還進(jìn)一步把13C-石墨解離成13C-石墨烯及其衍生物13C-氧化石墨烯。分析這種材料揭示出了爭(zhēng)議已久的氧化石墨烯化學(xué)結(jié)構(gòu)。

　　低噪聲 石墨烯晶體管

　　2008年3月IBM沃森研究中心的科學(xué)家在世界上率先制成低噪聲石墨烯晶體管。

　　普通的納米器件隨著尺寸的減小，被稱做1/f的噪音會(huì)越來越明顯，使器件信噪比惡化。這種現(xiàn)象就是“豪格規(guī)則(Hooge's law)”，石墨烯、碳納米管以及硅材料都會(huì)產(chǎn)生該現(xiàn)象。因此，如何減小1/f噪聲成為實(shí)現(xiàn)納米元件的關(guān)鍵問題之一。IBM通過重疊兩層石墨烯，試制成功了晶體管。由于兩層石墨烯之間生成了強(qiáng)電子結(jié)合，從而控制了1/f噪音。IBM華裔研究人員Ming-Yu Lin的該發(fā)現(xiàn)證明，兩層石墨烯有望應(yīng)用于各種各樣的領(lǐng)域。

　　2008年5月美國(guó)喬治亞科技學(xué)院教授德希爾與美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室合作在單一芯片上生成的幾百個(gè)石墨烯晶體管陣列。

　　2008年6月底日本東北大學(xué)電通信所末光真治教授在硅襯底上生成單層石墨膜, 即石墨烯。可在不縮小情況下實(shí)現(xiàn)器件高速度工作，例如可用于制作每秒1012赫茲級(jí)高頻器件和超級(jí)微處理器。單層石墨膜很難制作，為厚度僅為一個(gè)碳原子的蜂窩狀石墨結(jié)構(gòu)。末光教授的團(tuán)隊(duì)控制碳化硅形成時(shí)的結(jié)晶方向和硅襯底切割的結(jié)晶方向，得到100×150平方微米面積的兩層石墨膜，其晶格畸變率僅為1.7%。其他科研團(tuán)隊(duì)利用傳統(tǒng)方法的晶格畸變率為20%，因而不能制成可實(shí)際應(yīng)用的器件。末光教授的方法是將碳化硅襯底在真空條件下加熱至1000多度，除去硅而余下的碳，通過自組形式形成單層石墨膜。