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，石墨烯是由已知的最强键结合在一起的单片碳原子。半导体是在特定条件下导电的材料，是电子设备的基础部件。该团队的突破为一种新的电子产品方式打开了大门。
关键要点
佐治亚理工学院团队从石墨烯中开发了世界上第一个功能半导体，克服了电子学的一个主要障碍。
这一突破为硅提供了一种替代品，硅在现代电子产品中已接近极限，其迁移率是硅的 10 倍。
石墨烯的独特性能，包括其坚固性和处理大电流而不会过热的能力，使其成为电子应用的理想选择。
这一发现涉及在石墨烯中创造一个带隙，使其能够作为半导体发挥作用，并可能彻底改变纳米电子学。
外延石墨烯可以为量子计算的新技术铺平道路，并标志着电子学的范式转变。
研究
他们的发现正值硅在面对越来越快的计算和更小的电子设备时达到极限的时候。佐治亚理工学院的物理学教授沃尔特·德希尔领导了一个位于佐治亚州亚特兰大和中国天津的研究团队，生产了一种与传统微电子加工方法兼容的石墨烯半导体——这是任何可行的硅替代品的必要条件。
在这项发表在《自然》杂志上的最新研究中，de Heer和他的团队克服了几十年来一直困扰石墨烯研究的首要障碍，以及许多人认为石墨烯电子学永远不会工作的原因。它被称为“带隙”，是一种关键的电子特性，允许半导体打开和关闭。石墨烯直到现在都没有带隙。
“我们现在拥有一种非常坚固的石墨烯半导体，其迁移率是硅的10倍，并且还具有硅所不具备的独特特性，”de Heer说。“但过去10年我们工作的故事是，'我们能不能让这种材料足够好，可以工作?'”
一种新型半导体
De Heer在职业生涯早期就开始探索碳基材料作为潜在的半导体，然后在2001年转向探索二维石墨烯。他当时就知道石墨烯在电子学方面具有潜力。
“我们的动机是希望将石墨烯的三个特殊特性引入电子产品，”他说。“这是一种非常坚固的材料，可以处理非常大的电流，并且可以在不加热和分崩离析的情况下做到这一点。
当De Heer和他的团队想出如何使用特殊熔炉在碳化硅晶圆上生长石墨烯时，他取得了突破。他们生产了外延石墨烯，它是在碳化硅的晶体面上生长的单层。研究小组发现，当它正确制造时，外延石墨烯与碳化硅化学结合，并开始显示出半导体特性。
在接下来的十年里，他们坚持在佐治亚理工学院完善这种材料，后来又与中国天津大学天津国际纳米粒子和纳米系统中心的同事合作。De Heer于2014年与该中心主任兼论文合著者Lei 马一起创立了该中心。
他们是如何做到的
在其自然形式中，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，这是所有晶体管和硅电子器件的工作方式。石墨烯电子学研究的主要问题是如何打开和关闭它，使其能够像硅一样工作。
但要制造功能性晶体管，半导体材料必须被大量操纵，这可能会破坏其性能。为了证明他们的平台可以作为可行的半导体发挥作用，该团队需要在不损坏其的情况下测量其电子特性。
他们将原子放在石墨烯上，将电子“捐赠”给系统——一种称为掺杂的技术，用于查看材料是否是良导体。它在不损坏材料或其性能的情况下起作用。
该团队的测量表明，他们的石墨烯半导体具有比硅高10倍的迁移率。换句话说，电子以非常低的电阻移动，这在电子学中转化为更快的计算速度。“这就像在碎石路上行驶，而不是在高速公路上行驶，”de Heer说。“它效率更高，不会升温那么多，而且速度更快，电子可以移动得更快。
该团队的产品是目前唯一具有纳米电子学所必需特性的二维半导体，其电性能远远优于目前正在开发的任何其他二维半导体。
“石墨烯电子学中一个长期存在的问题是石墨烯没有正确的带隙，无法以正确的比例打开和关闭，”马说。“多年来，许多人试图通过各种方法解决这个问题。我们的技术实现了带隙，是实现石墨烯基电子产品的关键一步。
前进
外延石墨烯可能会在电子领域引起范式转变，并允许利用其独特特性的全新技术。该材料允许利用电子的量子力学波特性，这是量子计算的要求。
“我们做石墨烯电子的动机已经存在了很长时间，剩下的就是让它发生，”de Heer说。“我们必须学习如何处理材料，如何使其越来越好，最后如何测量性能。这花了非常非常长的时间。
根据de Heer的说法，看到新一代电子产品即将问世并不罕见。在硅之前，有真空管，在此之前，有电线和电报。硅是电子学历史上的众多步骤之一，下一步可能是石墨烯。
“对我来说，这就像莱特兄弟的时刻，”德希尔说。“他们建造了一架可以在空中飞行300英尺的飞机。但怀疑论者问道，既然世界已经有了快速的火车和轮船，为什么还需要飞行。但他们坚持了下来，这是一项可以带人们跨越大洋的技术的开始。
