神奇材料石墨烯

石墨烯這種由碳原子緊密排列而成的蜂窩狀結構二維材料，既是世界上最薄、最堅硬的納米材料，同時也是世界上電阻最小的材料，它可以發展成為新一代的電子元件，廣泛應用于電腦和手機等電子設備上。

石墨烯的碳原子排列與石墨的單原子層相同，可想象為由碳原子和其共價鍵所形成的原子網格。石墨烯極其穩定，同時也非常靈活。它的熱能和電能的傳導系數比金屬更好，并且像玻璃一樣透明。硅是目前制作芯片的基本物質，而石墨烯的電子遷移率是硅的100倍，可以發展出導電速度更快的新一代電子組件或晶體管，能夠極大地提高電腦的性能。

石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在實驗中成功地從石墨中分離出石墨烯，證實了它并非是假設性的結構，它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。而接下來的問題是，我們可以用這種神奇的材料做什么呢？這個問題的答案值10億歐元，歐盟將在10年內投入10億歐元的巨額研究經費支持石墨烯的應用研究項目。除此以外，三星和諾基亞等大型的IT公司也已經開始了在石墨烯領域的研究工作。

電腦技術的飛躍

100GHz的處理器和充電時間僅需數秒的電池，是目前石墨烯應用研究領域最為人所稱道的項目。不過，雖然石墨烯具備實現這些應用的半導體特性，但是發掘石墨烯的寶藏并不是一件容易的事情。下面，CHIP將為大家介紹這中間必須要解決的問題以及更多石墨烯的新項目。

特性：超硬、超導

電子流能以較高的速度通過石墨烯，該材料非常堅硬，同時又具備柔性和透明的特點。

原子結構圖揭示了石墨烯的秘密，碳原子組成的六邊形網格中，每一個碳原子將與相鄰的3個碳原子共同使用外層的3個電子，而第四個電子是可以自由移動的。前者使石墨烯結構更穩定和堅固，后者則賦予石墨烯良好的電導性和熱導性。碳原子之間相互作用的紐帶，使得石墨烯在層的方向上像鉆石一樣堅硬。但同時，六邊形網格結構可以延伸自身約20%左右，碳原子之間的連接很柔韌，因而，石墨烯同時也是很柔韌的。

另外，石墨烯光柵即使損壞了，在催化劑（鈀、鎳）的作用下也可自我填充愈合，只需供應充足的碳原子用于修補即可。可以自由移動的外層電子在電腦方面的應用更有意義，它賦予了石墨烯特殊的屬性：通過自由移動的外層電子相互轉化，電子流能以更高的速度幾乎毫無阻力地從石墨烯光柵通過。因而，使用石墨烯晶體管制成的電腦芯片將可以工作在更高的頻率下，而不會受到熱量的影響。2011年6月，IBM的研究人員宣布，他們已經成功地創造出了第一個以石墨烯為基礎的芯片，它的工作頻率高達100GHz。

大規模生產方面的研究進展

是否能夠大量生產是阻礙石墨烯應用夢想實現的第一大問題，石墨烯生產方法有很多種，而目前主要采用的方法有3種。首先是剝離法，通過在高定向熱裂解石墨上剝離石墨烯薄片，可以生產出高質量石墨烯，但該技術存在產量低和成本高的不足，無法滿足工業化和規模化生產的要求，目前只能在實驗室中進行小規模生產。

其次，碳化硅在大約1 000℃時會蒸發，蒸發后可得到二氧化硅，含碳的氣體將會殘留在碳化硅的表面，利用碳化硅的這一特點，將碳沉積在硅間隙同樣可以生產出石墨烯。目前，由石墨烯層和碳化硅基板組成的50mm內徑的晶圓就是采用這種方法生產的，但是埃爾蘭根大學的一個團隊的研究人員發現，這些晶圓雖然適合用于生產晶體管，但是載體材料的電子減速，電子遷移率大約為2 000cm2/Vs左右，雖然比目前廣泛使用的摻雜硅（1400cm2/Vs）要高，但遠小于石墨烯理論上的極限值（200 000cm2/Vs）。

另外還有化學氣相沉積法（Chemical Vapor Deposition，CVD），該方法通過在銅表面上沉積分解的含碳氣體，再通過化學刻蝕，刻蝕掉不適合作為載體材料的銅，最后將分離得到的石墨烯薄膜加在硅基板上，這樣生產出的材料可以實現更高的電子遷移率（16 000cm2/Vs左右）。目前來說，CVD或許是未來大規模生產的最佳方法。

晶體管：

計劃與藍圖

石墨烯無法直接取代硅作為晶體管的材料，因為這個神奇的材料需要進行適當的調整。

晶體管是電腦芯片的基本組成部分，這些微小的電子電路每一個代表著一個位。目前常見的晶體管以半導體硅作為主要材料，不同于石墨烯，硅的4個外層電子中的每一個都與它的相鄰原子形成共價鍵，硅沒有可以自由移動的電子。因而，需要摻雜其他材料加入外來原子，例如源極和漏極進行N型摻雜，摻入外層有5個電子的砷，如果砷被硅吸收，那么就會多出一個自由移動的外層電子。通道進行P型摻雜，摻入只有3個外層電子的硼，由于反而少了1個電子，所以就會形成一個所謂的“空穴”。當施加電壓時，硅晶體管中通道打開，電子從源極流到漏極。所施加的電壓，其大小取決于摻雜的材料與程度。硅的禁帶寬帶為1.1eV（電子伏特），這是電子越過導帶和價帶之間的禁帶所需要的能量。只有當電子能夠跳躍至導帶，晶體管才處于打開的導電狀態。但是石墨烯沒有禁帶，電子在導帶中總是存在，如果作為晶體管材料，那么石墨烯晶體管將一直處于打開的狀態，缺少關閉狀態。

打造石墨烯半導體

石墨烯必須具有禁帶才能夠成為適合用于晶體管的材料，在過去的幾個月該領域已經有了一些突破。一個科學家小組在佐治亞理工學院使用碳化硅方法已經可以重建石墨烯納米帶。由于石墨烯形成了波浪的形狀，所以這將會產生0.5eV的禁帶寬度。

除此之外，日本研究人員已經先行了一步，他們已經通過CVD法開發出了30nm的石墨烯晶體管（最新的英特爾三柵極晶體管為22nm）。日本的研究人員使用氦離子轟擊石墨烯，產生干擾形成樹狀結構。由于這樣形成的禁帶寬度很小，所以他們采用了兩個柵極來控制電子的流動。

日本研究人員目前正計劃制造這種晶體管的晶圓，以證明他們的方法是否適合大批量生產。不過，也許改變傳統的晶體管模型可以設計出更好的石墨烯晶體管。在英國曼徹斯特大學的一個研究項目中，研究人員通過CVD法，將兩層石墨烯用一層鎢（IV）硫化物（WS2）分隔開來。這將產生一個2.1eV的禁帶寬度，必須施以足夠的能量，電子才能夠從一個石墨烯層移動到另一個。

應用：內存、電池

石墨烯對于電腦相關的其他設備同樣意義重大，其中顯示器將會是第一位。

在研究出如何使用石墨烯作為晶體管的材料之后，設計出一種快速并能夠長期保存數據的閃存單元就不會是一件太難的事情了。瑞士洛桑聯邦理工學院的研究人員已經建立了一個用石墨烯制作浮柵的閃存單元，其工作原理就像一個晶體管。當施加電壓時，電子流從源極到漏極。唯一的區別是，柵極和通道之間多了一個石墨烯制作的浮柵。這個浮柵實際上是閃存單元的存儲元件，浮動柵中電子的數量決定了該位的值。當施加電壓時讀出該值，施加高電壓，當正電壓超過10V時將填充浮柵，施以相應的負電壓則清空浮柵中的電子。

這個閃存單元原型通道由同樣具有卓越電子特性的礦物輝鉬礦（二硫化鉬）制成，在石墨烯禁帶寬度為1.8eV的情況下，二硫化鉬的電子遷移率很高。此外，石墨烯閃存單元可以更長期地保存數據，因為它比使用硅閃存的固態硬盤或者閃存盤的刪除周期更長。其次，石墨烯閃存單元能在一個較低的電壓下運作和刪除，且具有較高的讀取和寫入速度。

石墨烯優異的導電性注定了它將被用于太陽能電池或電池組，紐約的倫斯勒理工學院的實驗表明，使用石墨烯作為材料，電池的充電時間可以從12min減少到90s。

由于石墨烯不僅導電性非常好，同時還是透明的，因而，也非常適用于各種類型的顯示器。早在2010年，斯坦福大學的研究人員就已經研發出了使用石墨烯電極的有機發光二極管（OLED），使用石墨烯取代透明的但昂貴的銦錫氧化物（ITO），這種電極也同樣可以應用于太陽能電池。

石墨烯的機械性能也同樣可以加以利用，其重量輕、靈活性和耐久性高的特點，是完美的耳機振膜材料。加州大學伯克利分校的一個研究小組最近介紹了一種石墨烯的耳機振膜，振膜的直徑只有7mm，使用兩個硅電極驅動，聲音質量完全可以比擬高端耳機。

我們無法預測石墨烯是否能夠滿足所有研究人員和公司的期望，而且目前石墨烯材料以及石墨烯晶體管大規模生產的問題也尚未解決。不過，諾貝爾獎的獲得者康斯坦丁·諾沃肖洛夫領導的一個研究小組已經公布了一份路線圖，他們預測石墨烯產品將很快進入市場，首先進入市場的將會是顯示器、用于無線通訊的高頻晶體管以及用于電腦的邏輯晶體管。按照這份路線圖，我們將不得不等待至少10年才可以用上100GHz的CPU。