基于石墨烯的纳米电平台研制成功

Nanoelectrics见解

• 石墨烯在取代硅的纳米电子学方面具有巨大的潜力，但由于破坏性的加工方法，它一直受到限制。
• 佐治亚理工学院的研究人员可能已经找到了一种基于石墨烯平台的变通办法，这种平台与微电子制造业兼容。
• 如果成功，这将有助于在计算能力和处理方面取得突破。在过去几年里，随着开发人员不断挑战硅的极限，计算能力和处理能力一直在放缓。

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在纳米电子学领域，一个紧迫的任务是寻找一种可以取代硅的材料。几十年来，石墨烯似乎很有前途，但由于破坏性的加工方法和缺乏新的电子范式，它的潜力尚未实现。随着硅在适应快速计算方面的能力几乎达到极限，现在比以往任何时候都更需要下一个大型纳米电子平台。

沃尔特·德·希尔大学的摄政教授物理学院在佐治亚理工学院，他和他的合作者开发了一种基于石墨烯(单张碳原子)的新型纳米电子平台。该技术与传统的微电子制造兼容，是任何可行的硅替代品的必要条件。在他们的研究过程中，发表在自然通讯，该团队可能还发现了一种新的准粒子。他们的发现可能会导致制造更小、更快、更高效、更可持续的计算机芯片，并对量子和高性能计算具有潜在影响。

“石墨烯的力量在于其扁平的二维结构，由已知最强的化学键连接在一起，”de Heer说。“从一开始就很明显，石墨烯的小型化程度要比硅大得多，可以实现更小的设备，同时以更高的速度运行，产生的热量也小得多。这意味着，在原则上，石墨烯芯片可以比硅芯片封装更多的器件。”

2001年，de Heer提出了一种基于外延石墨烯的电子替代形式，或称金石烯——一层石墨烯被发现在碳化硅晶体上自发形成，碳化硅晶体是一种用于大功率电子设备的半导体。当时，研究人员发现电流可以沿着铭文的边缘无阻力地流动，并且石墨烯器件可以在没有金属线的情况下无缝连接。这种组合可以产生一种依赖于石墨烯电子独特的类光性质的电子形式。

de Heer说:“在低温下，碳纳米管中已经观察到量子干涉，我们希望在铭文带和网络中看到类似的影响。”“石墨烯的这一重要特性是硅无法实现的。”

构建纳米电子学平台

为了创建新的纳米电子平台，研究人员在碳化硅晶体衬底上创建了一种经过修饰的铭文。他们与中国天津大学天津国际纳米粒子和纳米系统中心的研究人员合作，用电子级碳化硅晶体制造出独特的碳化硅芯片。石墨烯本身是在佐治亚理工学院de Heer的实验室使用专利炉生长的。

研究人员使用电子束光刻技术(微电子学中常用的一种方法)雕刻石墨烯纳米结构，并将其边缘焊接到碳化硅芯片上。这一过程机械地稳定和密封石墨烯的边缘，否则它会与氧气和其他可能干扰沿边缘电荷运动的气体发生反应。

最后，为了测量石墨烯平台的电子性能，该团队使用了一个低温设备，可以记录石墨烯平台从接近零温度到室温的性能。

观察边缘状态

研究小组在石墨烯边缘状态下观察到的电荷类似于光纤中的光子，可以在不散射的情况下长距离传播。他们发现电荷在散射之前沿边缘行进了数万纳米。在之前的技术中，石墨烯电子只能移动约10纳米，然后就会撞到小缺陷并向不同方向散射。

佐治亚理工学院物理学教授、位于法国格勒诺布尔的法国国家科学研究中心研究主任克莱尔·伯杰(Claire Berger)说:“边缘电荷的特别之处在于，即使边缘不是完全直的，它们也会保持在边缘上，并以相同的速度移动。”

在金属中，电流由带负电的电子传递。但与研究人员的预期相反，他们的测量表明，边缘电流不是由电子或空穴携带的(空穴是正电荷准粒子的术语，表示没有电子)。相反，电流是由一种非常不寻常的准粒子携带的，它没有电荷和能量，但移动时没有阻力。混合准粒子的组分被观察到在石墨烯边缘的相反两侧移动，尽管它是一个单一的物体。

这种独特的性质表明，这种准粒子可能是物理学家几十年来一直希望开发的一种准粒子——意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳在1937年预测的难以捉摸的马约拉纳费米子。

de Heer说:“在无缝连接的石墨烯网络中使用这种新的准粒子开发电子产品将改变游戏规则。”

据de Heer说，我们可能还需要5到10年才能拥有第一个基于石墨烯的电子产品。但由于该团队新的外延石墨烯平台，技术比以往任何时候都更接近石墨烯作为硅的继承者。

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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