石墨烯晶体管是什么？石墨烯晶体管简介【全】

石墨烯是一种二维晶体。它的结构非常稳定，因为碳原子排列成六边形并相互连接形成碳分子。

石墨烯晶体管因2010年诺贝尔物理学奖而引起人们的关注。2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授以非常简单的方式从石墨片中剥离出石墨烯，并因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯是一种二维晶体。它的结构非常稳定，因为碳原子排列成六边形并相互连接形成碳分子。随着连接碳原子数量的不断增加，这个二维碳分子平面正在扩大，分子也在扩大。单层石墨烯的厚度只有一个碳原子，也就是0.335纳米，相当于一根头发粗的千分之一。1 毫米厚的石墨中有近 150 万层石墨烯。石墨烯是我们已知的最薄的材料，具有极高的比表面积、超导性和强度等优点。

一、最小的晶体管

硅材料的加工极限一般认为是10纳米的线宽。受限于物理原理，小于10纳米之后，不太可能生产出性能稳定、集成度更高的产品。然而，英国科学家发明的新型晶体管将延长摩尔定律的寿命。晶体管有望为新型超高速计算机芯片的开发带来突破。值得一提的是，世界上最小晶体管的主要开发者也是2004年开发石墨烯的人。他们是Andre Geim教授（英国曼彻斯特大学物理与天文学系）和研究员Kostya Novoselov。正是由于石墨烯的发展，他们获得了 2008 年诺贝尔物理学奖的提名。

由两人领衔的英国科学家研制的世界上最小的晶体管，只有1个原子厚，10个原子宽。使用的材料是由单个原子层组成的石墨烯。石墨烯作为一种新型半导体材料，近年来受到了科学界的广泛关注。英国科学家使用标准晶体管工艺首先在单层石墨膜上用电子束蚀刻通道。然后，电子被密封在称为“岛”的剩余中心部分，形成量子点。石墨烯晶体管的栅极部分的结构是10多纳米的量子点夹在几纳米的绝缘介质中。这种量子点通常被称为“电荷岛”。由于施加电压后量子点的电导率发生了变化，因此量子点可以像标准场效应晶体管一样记忆晶体管的逻辑状态。另据报道，由曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授领导的研究小组，英国开发了一种 10 纳米实用的石墨烯晶体管。他们尚未公布的最新研究成果是，他们开发了一种长度和宽度为一个分子的更小的石墨烯晶体管。石墨烯晶体管实际上是由单个原子组成的晶体管。

二、神奇的半导体材料

石墨烯研发者之一、曼彻斯特大学的诺沃肖洛夫博士指出，石墨烯是研究领域的“金矿”，长期以来，研究人员都会“挖掘”新的研究成果。

那么什么是石墨烯？石墨烯是从石墨材料上剥离下来的单层碳原子薄膜。它是由单层六角形细胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体。换言之，它是石墨晶体薄膜的单原子层，其晶格是由碳原子组成的二维蜂窝结构。这块石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米，它的20万片薄膜叠加在一起，仅相当于一根头发丝的厚度。这种材料具有许多新颖的物理性质。石墨烯是一种零带隙半导体材料，其载流子迁移率远高于硅，理论上它的电子迁移率和空穴迁移率是相等的，所以它的n型场效应晶体管 和p型场效应晶体管是对称的。另外，由于它具有零带隙特性，石墨烯中载流子的平均自由程和相干长度即使在室温下也可以达到微米级，是一种性能优良的半导体材料。此外，石墨烯还可用于制造复合材料、电池/超级电容器、储氢材料、场发射材料、超灵敏传感器等。因此，研究人员争先恐后地投资研究如何制备和表征它们的物理、化学和机械性能。

科学家们对石墨烯感兴趣的原因之一是他们受到碳纳米管研究成果的启发。石墨烯很可能成为硅的替代品。事实上，碳纳米管是卷入圆柱体的石墨烯微芯片。与碳纳米管一样，它们具有优异的电子特性，可用于制造超高性能的电子产品。它比碳纳米管更好的地方在于，在制作复杂电路时，必须仔细筛选和定位纳米管。

基于硅的微型计算机处理器在室温下每秒只能执行一定数量的操作。然而，电子通过石墨烯几乎没有电阻，产生的热量非常小。此外，石墨烯本身是良好的导热体，可以快速散热。由于其出色的性能，石墨烯制造的电子产品运行速度更快。有关专家指出：“硅的速度是有限的，只能达到现在的地步，不能再提高了。” 硅器件的运行速度已达到千兆赫范围。由石墨烯设备制成的计算机可以在太赫兹下运行，比 1 吉赫兹快 1000 倍。

除了使计算机运行得更快之外，石墨烯器件还可以用于需要高速运行的通信和成像技术。有关专家认为，石墨烯很可能首先应用于高频领域，例如太赫兹成像，其用途之一是探测暗器。然而，速度并不是石墨烯的唯一优势。硅不能分成小于 10 纳米的小块，否则会失去吸引人的电子特性。与硅相比，当石墨烯被分成纳米级的小块时，它的基本物理性质并没有改变。

三、研究成果公布

由马里兰大学纳米技术和先进材料中心物理学教授 Michael S. Fuhrer 领导的科学团队进行的实验表明，石墨烯的电子迁移率不会随温度变化。他们测量了石墨烯在 50 开尔文和 500 开尔文之间的电子迁移率，发现无论温度如何变化，电子迁移率都在 150,000 cm2/Vs 左右。硅的电子迁移率是 1400 cm2 / Vs。电子在硅中的传播速度比硅快 100 倍，因此未来的半导体材料是石墨烯而不是硅。这将使开发更快的计算机芯片和生化传感器成为可能。他们还首次测量了石墨烯中电子传导的热振动效应。

中国科学院数学与系统科学研究院研究员、合作者刘芳和李菊的计算结果表明，预测的石墨烯的理想强度为110GPa～121GPa。这意味着石墨烯是人类已知的最强材料。

哥伦比亚大学的 James Hone 和 Jeffrey Kysar 的小组在 2008 年 7 月的《科学》杂志上宣布，石墨烯是世界上已知的最坚固的材料。他们发现，在石墨烯样品颗粒开始碎裂之前，它们每 100 纳米所能承受的最大压力约为 2.9 微牛顿。这个结果相当于 55 牛顿的压力来破坏 1 米长的石墨烯。

如果能制造出厚度相当于塑料包装袋（厚度约100纳米）的石墨烯，则需要施加约20000牛顿的压力才能将其撕下。这意味着石墨烯比金刚石更硬。

2008年9月26日发表在《科学》杂志上，蔡薇薇，博士。中科院物理所固态量子信息实验室学生在陈东民研究员和Rodney Ruoff教授的指导下，成功制备出高质量的13C同位素合成石墨，并将13C-石墨进一步解离13C-石墨烯及其衍生物 13C-氧化石墨烯。对这种材料的分析揭示了氧化石墨烯长期以来备受争议的化学结构。

四、低噪声石墨烯晶体管

2008年3月，IBM沃森研究中心的科学家在全球率先制造出低噪声石墨烯晶体管。

随着普通纳米器件尺寸的减小，称为1/f的噪声会越来越明显，这会使器件的信噪比恶化。这种现象被称为胡格定律，它可以发生在石墨烯、碳纳米管和硅材料中。因此，如何降低1/f噪声成为实现纳米器件的关键问题之一。IBM 通过重叠两层石墨烯成功地试制了晶体管。强 1 / f 噪声由两层石墨烯之间的强电子键控制。IBM中国研究员Ming-Yu Lin的发现证明了两层石墨烯有望应用于各个领域。

2008年5月，美国佐治亚理工学院教授德希尔与麻省理工学院林肯实验室合作，在单个芯片上生成了数百个石墨烯晶体管阵列。

2008年6月末，日本东北大学电气与通信研究所的Mitsuko Maki教授在硅衬底上生成了单层石墨薄膜，即石墨烯。它可以在不缩小体积的情况下实现器件的高速运行，例如可以用来制作1012Hz级别的高频器件和超级微处理器。单层石墨膜制作难度大，具有蜂窝状石墨结构，厚度仅为一个碳原子。莫光教授团队控制了碳化硅形成时的晶向和切割硅衬底时的晶向，得到了面积为100倍的两层石墨薄膜。150 平方微米。其他科研团队采用传统方法的晶格畸变率为20%，无法制成实用器件。住友教授的方法是将碳化硅衬底在真空下加热到1000度以上，去除硅中剩余的碳，通过自组装形成单层石墨膜。

五、石墨烯晶体现状

2010年诺贝尔物理学奖，石墨烯引起了人们的关注。2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授以非常简单的方式从石墨片中剥离出石墨烯，并因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯是一种二维晶体。碳原子排列成六边形并相互连接形成碳分子。它的结构非常稳定。随着连接碳原子数量的不断增加，这个二维碳分子平面会扩大，分子也会扩大。单层石墨烯的厚度只有一个碳原子，即0.335纳米，相当于一根头发粗细的20万分之一。1 毫米厚的石墨中有近 150 万层石墨烯。石墨烯是已知最薄的材料，具有极高的比表面积、超导性和强度等优点。

超物理性质

石墨烯是目前已知的最薄的材料。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，而这种厚度的石墨烯具有许多石墨所不具备的特性。

极导电：石墨烯中的电子没有质量，电子的运动速度超过其他金属单体或半导体的运动速度，可达光速的1/300。正因为如此，石墨烯具有超强的导电性。

超高强度：石墨是最柔软的矿物。它的莫氏硬度只有1-2。分离成碳原子厚度的石墨烯后，其性能会突然发生变化。它的硬度会高于硬度为10级的钻石。

比表面积大：由于石墨烯的厚度只有一个碳原子，即0.335纳米，因此石墨烯的比表面积很大。理想的单层石墨烯的比表面积可以达到2630m2/g，而普通活性炭的比表面积为1500m2/g。大的比表面积使石墨烯成为一种潜在的储能材料。

主要生产方法包括微机械剥离、外延生长、氧化石墨还原和气相沉积。其中，氧化石墨还原法成本相对较低，是主要方法。

石墨烯良好的导电性和透光性使其在透明导电电极方面具有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示器、有机光伏电池、有机发光二极管 是需要良好透明导电电极材料的产品。特别是石墨烯比常用材料氧化铟锡具有更好的机械强度和柔韧性。溶液中的石墨烯薄膜可以大面积沉积。通过化学气相沉积，可以制备出大面积、连续、透明、高导电、少层的石墨烯薄膜。主要用于光伏器件的阳极，能量转换效率高达1.71%。与制造的元件相比，其能量转换效率约为55.2%。作为一个新兴行业。石墨烯的未来是光明的。

石墨烯的特殊结构使其成为世界上最硬、最薄的材料，同时还具有很强的韧性、导电性和导热性。这些及其特殊特性使其具有巨大的发展空间，可应用于电子、航空航天、光学、储能、生物医药、日常生活等众多领域。