编辑：编辑部 硅，是所有电子产品的终结吗？
这个纪录被石墨烯打破了！
天津大学和佐治亚理工学院的研究人员创造了世界上第一个由石墨烯制成的功能半导体。
团队的突破为新的电子产品打开了大门。 研究已发表在《自然》杂志上。
*地址：本研究成功攻克了长期阻碍石墨烯电子学发展的关键技术难题，打开了石墨烯的带隙，实现了从0到1的突破。
有网友惊呼：这简直就是电子学的一场革命，外延石墨烯的突破，可以让摩尔定律延续几十年！
事实证明，硅只是一个开始。
这一发现可能会永远改变计算和电子学。
石墨烯研究已经突破了几十年的障碍。
半导体是在一定条件下导电的材料，是电子设备的基本部件。
该团队的发现是在硅的性能达到极限的时候发现的。
过去，硅是几乎所有现代电子产品的原材料，但更快的计算速度和越来越小的电子设备使这条路线越来越长。
英伟达CEO黄老经常说摩尔定律已经死了。
这时，石墨烯就派上用场了！
石墨烯是一种单片碳原子，由已知最强的键结合在一起。
要知道，天然石墨烯不是半导体，也不是金属，而是半金属。
然而，由佐治亚理工学院物理学教授沃尔特·德希尔（Walter de Heer）领导的一个团队创造了一种与传统微电子加工方法兼容的石墨烯半导体。
因此，这种半导体可以成为硅的替代品。
为什么没有人想到用石墨烯代替硅？
这是因为几十年来一直困扰着石墨烯研究的最大障碍之一，以至于许多人相信石墨烯不能用作半导体。
障碍在于石墨烯没有带隙。
此时，被激发的电子可以从一个能带跳到另一个能带。 这有效地打开了和关闭了电流，从而控制了导电开关，同时创建了数字计算机中使用的 0 和 1 的二进制系统。
带隙图显示了导体、半导体和绝缘体的不同尺寸的带隙。
de Heer教授和他的团队克服了这一障碍。
De Heer教授说：“今天，我们拥有一种非常坚固的石墨烯半导体，其迁移率是硅的10倍，并且具有硅所不具备的独特性能。 」
但在过去的十年里，我们每天都在绞尽脑汁的是——我们能不能把石墨烯材料做得更好，我们能不能成为半导体？ 」
他在20年前就知道石墨烯的潜力。
石墨烯的成名与两位英国科学家的故事有关，他们用手撕透明胶带在10年内获得了诺贝尔奖。
不过，在那之前，有很多人相信石墨烯在电子产品中的潜力。
当堆叠成片状时，石墨烯可以形成具有独特性能的晶体透明结构，被称为奇迹材料。
它是已知最薄、最轻的材料之一，据估计，石墨烯比金刚石更硬，比结构钢强约 100 到 300 倍。
一平方米石墨烯仅重00077 克，但最多可支撑 4 公斤。 它还可以弯曲到自身长度的 20% 而不会断裂。
石墨烯中碳原子的蜂窝状排列促进了电子的自由运动，电子的超高负载可以使电子运行得非常快，并实现许多酷炫的科幻材料属性，如触摸屏、飞机等。
在他职业生涯的早期，de Heer教授开始探索碳基材料作为潜在半导体的能力，并于2024年将注意力转向二维石墨烯。
该团队希望将石墨烯的三种特性引入电子产品：1坚固; 2.处理非常大的电流; 3.无需加热和分离即可工作。
在实验过程中，该团队提出了使用特殊熔炉在碳化硅晶圆上生长石墨烯的想法。
他们取得了突破，生产出单层外延石墨烯，生长在碳化硅的晶体表面。
他们发现，如果制造得当，外延石墨烯会与碳化硅发生化学结合，并开始表现出半导体特性。
在接下来的十年里，佐治亚理工学院的团队与天津大学天津国际纳米粒子和纳米系统研究中心合作，研究这种材料。
TCNN主任马磊。
一个关键的突破：向系统提供电子，其迁移率是硅的 10 倍。
当然，石墨烯既不是半导体也不是金属，而是半金属。
带隙是一种在施加电场时可以打开和关闭的材料，所有晶体管和硅电子器件都依赖于这种工作原理。
石墨烯电子学研究的主要问题是如何打开和关闭带隙，使石墨烯像硅一样工作。
但是，如果要制造功能晶体管，则必须使大部分半导体材料可控，这可能会损害石墨烯的性能。
为了证明石墨烯可以用作半导体，该团队需要在不损坏石墨烯的情况下测量其电子特性。
研究人员将原子放在石墨烯上，并向系统提供电子——这种技术被称为掺杂，以查看材料是否为良导体。 这样，就没有必要破坏石墨烯的材料或性能。
研究人员使用加热的碳化硅晶片，迫使硅在碳之前蒸发，有效地在表面留下一层石墨烯。
结果表明，石墨烯半导体的迁移率是硅的10倍。
电子可以以极低的电阻移动，这意味着电子学中的计算速度更快。
这就像在碎石路而不是高速公路上行驶一样。 前者效率更高，不会过度升温，并且速度足够快，可以让电子快速移动。 de Heer教授解释道。
该石墨烯产品是目前唯一具有纳米电子学必要特性的二维半导体，其电子性能远优于目前正在开发的其他二维半导体。
天津国际纳米粒子与纳米系统研究中心主任、合著者马 Lei说
石墨烯电子学的一个长期问题是，石墨烯没有正确的带隙以正确的比例打开和关闭。 我们的技术实现了带隙，这是实现基于石墨烯的电子产品的最关键步骤。莱特兄弟时刻。
这种外延石墨烯可能会在电子领域引起范式转变，并产生许多新技术。
它允许使用量子计算所需的电子的量子力学波特性。
根据de Heer教授的说法，下一代电子产品是可以期待的。 在硅之前，有真空管，在此之前，有电线和电报。
在电子学史上，硅只是一段时间内的形式之一，下一步恐怕就是石墨烯了。
德希尔教授说，对他来说，这就像莱特兄弟的时刻。
莱特兄弟制造了一架可以在空中飞行 300 英尺的飞机。 怀疑论者问：当世界上已经有火车和轮船时，为什么我们需要飞机？ 但他们坚持了下来，在那之后，飞机可以带人穿越大洋。
超高迁移率半导体。
石墨烯中缺乏固有的带隙。 在过去的二十年中，通过量子约束或化学功能化来改变带隙的尝试一直没有成功。
在这项工作中，研究人员证明，单晶碳化硅衬底上的半导体表面石烯（SEG）具有06 EV带带隙，达到5000以上
室温迁移率是硅的10倍，是其他2D半导体的20倍。
换句话说，可行的半导体石墨烯诞生了。
当硅从碳化硅晶体表面蒸发时，富碳表面结晶产生石墨烯多层膜。 在SiC的硅端面上形成的第一个石墨层是绝缘表皮层，它与SiC的表面部分共价键合。
缓冲层的光谱测量显示了半导体特性，但由于无序，该层的迁移率受到限制。
在本文中，研究人员展示了一种准平衡退火方法，该方法在宏观原子平坦的阶地上产生SEG（即有序缓冲层），SEG晶格与SIC衬底对齐。
Seg 具有化学、机械和热稳定性，可以使用传统的半导体制造技术进行图案化，并无缝附着在半金属表石墨烯上。 这些基本特性使SEG适用于纳米电子学。
如下图（a）（b）所示，传统的表石烯和缓冲层在封闭的可控升华（CCS）炉中生长，其中35mm × 4.5 mm 半绝缘 SiC 芯片在温度范围为 1300 °C 至 1600 °C 的圆柱形石墨坩埚中以 1 bar AR 退火（如下图 （C） 所示）。
坩埚被射频源**圈中感应的涡流加热，坩埚中有小泄漏，硅从坩埚中逸出的速率决定了石墨烯在表面形成的速率。 因此，生长温度和石墨烯形成速率得到控制。
将两个芯片堆叠在一起，底部芯片（Source）的C侧朝向顶部芯片（Seed）的Si侧。
在高温下，芯片之间的温差很小，导致从底部芯片到顶部芯片的净质量流，导致种子芯片上逐渐生长出大梯田，并在其上生长出均匀的SEG膜。
SEG的发展分为三个阶段：
在第一阶段，将芯片在真空中加热至900°C约25分钟，以清洁表面;
在第二阶段，将样品在 1 bar AR 中加热至 1,300 °C 约 25 分钟，从而产生规则的双层 SiC 步骤阵列和大约 02米宽的楼梯。
在第三阶段，SEG涂层的阶地在1600°C，1 Bar的AR中生长，阶梯式聚束和阶梯流产生大型原子扁平阶地，缓冲层在C面和Si面之间建立的准平衡条件下生长。
工艺中最重要的参数是温度t、切屑之间的温差δt和退火时间t，当t=1600-1700°C时，退火时间通常为1-2小时。 温差 δt 取决于坩埚设计，估计约为 10 °C，以提供两个芯片之间传质所需的足够蒸气压差。
SEG 表征。
下图 （a） 说明了 35 mm×4.5 mm晶圆的复合电子显微镜（SEM）图像。
SEM 已经过调整，可在 SIC（白色区域）和 SEG（灰色区域）之间提供鲜明的对比。 大约80%的表面被SEG覆盖。 石墨烯会以深色斑块的形式出现（这里看到的黑点是尘埃颗粒）。 最大无台阶面积约为05mm×0.3mm。
图（B）是使用扫描隧道显微镜（STM）的SEG的低温原子分辨率图像。
STM图像显示了在空间上覆盖的石墨烯蜂窝晶格（绿色）。
超周期结构（红色菱形和紫色六边形）调制，对应于约100 pm的SEG高度调制，部分共价键合到底物上。
采用低能电子衍射（LEED）技术对SEG进行鉴定，并验证其与SIC衬底的原子配准。
上图（c）显示了SEG晶格的特征6 3 6 6 3 3 R30°衍射图（LEED），显示了SEG的石墨烯晶体结构以及SEG相对于SiC衬底上原子的晶体排列。 在传统生产的缓冲层样品中没有大量的石墨烯痕迹。
图（d）是50 m 50 m区域的拉曼图，分辨率为1 m，拉曼光谱（1 100 m）对石墨烯和SEG非常敏感，石墨烯的痕量通过其强烈的特征二维峰很容易识别，这表明表面没有石墨烯。
图（E）显示了SEG的低温STS图像，将SEG的态密度（DOS）映射为费米能量的函数。 图像显示 06 EV的清晰带隙。
图（a）显示样品的电导率随着温度的升高而单调增加。 室温电导率范围为 1e-3 s 至 8e-3 s，对应电阻率为 125 至 330。 低温值最多可降低1000倍。
图（B）表示电荷密度，STS测量表明SEG本质上是电荷中性的，因此电荷是由环境气体（包括微量挥发性有机化合物）和光刻的残余电阻引起的。
图（d）显示，材料的迁移率随着温度的升高而增加，在较高温度下趋于饱和。 测得的最大移动性为5500
室温SEG电导率、电荷密度和迁移率都在表石烯的典型范围内。 然而，温度依赖性类似于具有深体态的掺杂半导体。
通过测量半导体和DOS，我们可以**场效应晶体管的响应：
图（a）显示了DOS**SEG通道的电阻率计算得出的结果，假设SEG迁移率为4000的理想电介质
*室温下断裂比大于1e6。
图（b）显示了电荷密度与费米能量的函数关系。 在 t = 300K 时，n 和 p 分支的导通电压预计分别为 +0。34v 和 023v。
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