石墨烯晶體管

2010年的諾貝爾物理學(xué)獎將石墨烯帶入了人們的視線。2004年英國曼徹斯特大學(xué)的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授通過一種很簡單的方法從石墨薄片中剝離出了石墨烯，為此他們二人也榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎。

石墨烯是一種二維晶體，由碳原子按照六邊形進(jìn)行排布，相互連接，形成一個碳分子，其結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定;隨著所連接的碳原子數(shù)量不斷增多，這個二維的碳分子平面不斷擴(kuò)大，分子也不斷變大。單層石墨烯只有一個碳原子的厚度，即0.335納米，相當(dāng)于一根頭發(fā)的20萬分之一的厚度，1毫米厚的石墨中將將近有150萬層左右的石墨烯。石墨烯是已知的最薄的一種材料，并且具有極高的比表面積、超強(qiáng)的導(dǎo)電性和強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。

堪稱超級的物理特性

石墨烯是已知的最薄的一種材料，單層的石墨烯只有一個碳原子的厚度，這種厚度的石墨烯擁有了許多石墨所不具備的特性。

導(dǎo)電性極強(qiáng)：石墨烯中的電子沒有質(zhì)量，電子的運(yùn)動速度超過了在其他金屬單體或是半導(dǎo)體中的運(yùn)動速度，能夠達(dá)到光速的1/300，正因如此，石墨烯擁有超強(qiáng)的導(dǎo)電性。

超高強(qiáng)度：石墨是礦物質(zhì)中最軟的，其莫氏硬度只有1-2級，但被分離成一個碳原子厚度的石墨烯后，性能則發(fā)生突變，其硬度將比莫氏硬度10級的金剛石還高，卻又擁有很好的韌性，且可以彎曲。（注釋：物理常識，硬度越高，材料越脆。例如玻璃，剛玉和鉆石，非常容易打碎。原文此處有誤，請留意。）

超大比表面積：由于石墨烯的厚度只有一個碳原子厚，即0.335納米，所以石墨烯擁有超大的比表面積，理想的單層石墨烯的比表面積能夠達(dá)到2630m2/g，而普通的活性炭的比表面積為1500m2/g，超大的比表面積使得石墨烯成為潛力巨大的儲能材料。

主要的制備方法有微機(jī)械剝離法、外延生長法、氧化石墨還原法和氣相沉積法;其中氧化石墨還原法優(yōu)于制備成本相對較低，是主要制備方法。

石墨烯良好的電導(dǎo)性能和透光性能，使它在透明電導(dǎo)電極方面有非常好的應(yīng)用前景。觸摸屏、液晶顯示、有機(jī)光伏電池、有機(jī)發(fā)光二極管等等，都需要良好的透明電導(dǎo)電極材料。特別是，石墨烯的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性都比常用材料氧化銦錫優(yōu)良;氧化銦錫脆度較高，比較容易損毀。在溶液內(nèi)的石墨烯薄膜可以沉積于大面積區(qū)域。通過化學(xué)氣相沉積法，可以制成大面積、連續(xù)的、透明、高電導(dǎo)率的少層石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的陽極，并得到高達(dá)1.71%能量轉(zhuǎn)換效率;與用氧化銦錫材料制成的元件相比，大約為其能量轉(zhuǎn)換效率的55.2%。作為新興產(chǎn)業(yè)。石墨烯未來前途一片光明。

石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)形態(tài)，使其具備世界上最硬、最薄的特征，同時也具有很強(qiáng)的韌性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。這些及其特殊的特性使其擁有無比巨大的發(fā)展空間，未來可以應(yīng)用于電子、航天、光學(xué)、儲能、生物醫(yī)藥、日常生活等大量領(lǐng)域。2100433B

硅材料的加工極限一般認(rèn)為是10納米線寬。受物理原理的制約，小于10納米后不太可能生產(chǎn)出性能穩(wěn)定、集成度更高的產(chǎn)品。然而英國科學(xué)家發(fā)明的新型晶體管將延長摩爾定律的壽命。該晶體管有望為研制新型超高速計算機(jī)芯片帶來突破。值得一提的是世界最小晶體管的主要研制者也是于2004年開發(fā)出石墨烯的人，他們就是英國曼切斯特大學(xué)物理和天文學(xué)系的安德烈·K·海姆（Andre Geim）教授和科斯佳·諾沃謝洛夫（Kostya Novoselov）研究員。正是因為開發(fā)出了石墨烯，他們獲得了2008年諾貝爾物理獎的提名。

由上述兩人率領(lǐng)的英國科學(xué)家開發(fā)出的世界最小晶體管僅1個原子厚10個原子寬，所采用的材料是由單原子層構(gòu)成的石墨烯。石墨烯作為新型半導(dǎo)體材料，近年來獲得科學(xué)界的廣泛關(guān)注。英國科學(xué)家采用標(biāo)準(zhǔn)的晶體管工藝，首先在單層石墨膜上用電子束刻出溝道。然后在所余下的被稱為“島”的中心部分封入電子，形成量子點(diǎn)。石墨烯晶體管柵極部分的結(jié)構(gòu)為10多納米的量子點(diǎn)夾著幾納米的絕緣介質(zhì)。這種量子點(diǎn)往往被稱為“電荷島”。由于施加電壓后會改變該量子點(diǎn)的導(dǎo)電性，這樣一來量子點(diǎn)如同于標(biāo)準(zhǔn)的場效應(yīng)晶體管一樣，可記憶晶體管的邏輯狀態(tài)。另據(jù)報導(dǎo)，英國曼切斯特大學(xué)安德烈·海姆教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊，除了已開發(fā)出了10納米級可實(shí)際運(yùn)行的石墨烯晶體管外，他們尚未公布的最新研究成果還有，已研制出長寬均為1個分子的更小的石墨烯晶體管。該石墨烯晶體管實(shí)際上是由單原子組成的晶體管。

神奇的半導(dǎo)體材料

石墨烯開發(fā)者之一的曼切斯特大學(xué)諾沃謝洛夫博士指出，石墨烯是研究領(lǐng)域的“金礦”，在很長一段時間內(nèi)，研究人員將會陸續(xù)“開采”出新的研究成果。

那么石墨烯又為何物呢？ 石墨烯（Graphene）是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子薄膜，是由單層六角元胞碳原子組成的蜂窩狀二維晶體。換言之，它是單原子層的石墨晶體薄膜，其晶格是由碳原子構(gòu)成的二維蜂窩結(jié)構(gòu)。這種石墨晶體薄膜的厚度只有0.335納米，將其20萬片薄膜疊加到一起，也只相當(dāng)一根頭發(fā)絲的厚度。該材料具有許多新奇的物理特性。石墨烯是一種零帶隙半導(dǎo)體材料，具有遠(yuǎn)比硅高的載流子遷移率, 并且從理論上說，它的電子遷移率和空穴遷移率兩者相等，因此其n型場效應(yīng)晶體管和p型場效應(yīng)晶體管是對稱的。還有，因為其具有零禁帶特性，即使在室溫下載流子在石墨烯中的平均自由程和相干長度也可為微米級, 所以它是一種性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料。此外，石墨烯還可用于制造復(fù)合材料、電池/超級電容、儲氫材料、場發(fā)射材料以及超靈敏傳感器等。因此科研人員爭先恐后地投入到如何制備和表征其物理、化學(xué)、機(jī)械性能的研究。

科學(xué)家們對石墨烯感興趣的原因之一是受到碳納米管科研成果的啟發(fā)。石墨烯很有可能會成為硅的替代品。事實(shí)上，碳納米管就是卷入柱面中的石墨烯微片，與碳納米管一樣，其具有優(yōu)良的電子性能，可用來制成超高性能的電子產(chǎn)品。它優(yōu)于碳納米管的是，在制作復(fù)雜電路時，納米管必須經(jīng)過仔細(xì)篩選和定位，還沒有開發(fā)出非常好的方法，而這對石墨烯而言則要容易得多。

硅基的微計算機(jī)處理器在室溫條件下每秒鐘只能執(zhí)行一定數(shù)量的操作，然而電子穿過石墨烯幾乎沒有任何阻力，所產(chǎn)生的熱量也非常少。此外，石墨烯本身就是一個良好的導(dǎo)熱體，可以很快地散發(fā)熱量。由于具有優(yōu)異的性能，由石墨烯制造的電子產(chǎn)品運(yùn)行的速度要快得多。有關(guān)專家指出: “硅的速度是有極限的，只能達(dá)到現(xiàn)在這個地步，無法再提高了?！惫杵骷墓ぷ魉俣纫堰_(dá)到千兆赫茲的范圍。而石墨烯器件制成的計算機(jī)的運(yùn)行速度可達(dá)到太赫茲，即1千兆赫茲的1000倍。如果能進(jìn)一步開發(fā)，其意義不言而喻。

除了讓計算機(jī)運(yùn)行得更快，石墨烯器件還能用于需要高速工作的通信技術(shù)和成像技術(shù)。有關(guān)專家認(rèn)為，石墨烯很可能首先應(yīng)用于高頻領(lǐng)域，如太赫茲波成像，其一個用途是用來探測隱藏的武器。然而，速度還不是石墨烯的惟一優(yōu)點(diǎn)。硅不能分割成小于10納米的小片，否則其將失去誘人的電子性能。與硅相比，石墨烯分割成一個納米的小片時，其基本物理性能并不改變，而且其電子性能還有可能異常發(fā)揮。

研究成果陸續(xù)發(fā)布

馬里蘭大學(xué)納米技術(shù)和先進(jìn)材料中心的物理學(xué)教授Michael S. Fuhrer領(lǐng)導(dǎo)的科研小組的實(shí)驗表明，石墨烯的電子遷移率不隨溫度而改變。他們在50開氏度和500開氏度之間測量了石墨烯的電子遷移率，發(fā)現(xiàn)無論溫度怎么變化，電子遷移率大約都是150000 cm2/Vs。而硅的電子遷移率為1400 cm2/Vs。電子在石墨烯中的傳輸速度比硅快100倍，因而未來的半導(dǎo)體材料是石墨烯而不是硅。這將使開發(fā)更高速的計算機(jī)芯片和生化傳感器成為可能。他們還首次測量了石墨烯中電子傳導(dǎo)的熱振動效應(yīng)，實(shí)驗結(jié)果顯示，石墨烯中電子傳導(dǎo)的熱振動效應(yīng)非常微小。

中科院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院明平兵研究員及合作者劉芳、李巨的計算結(jié)果表明，預(yù)測石墨烯的理想強(qiáng)度為110GPa～121GPa。這意味著石墨烯是人類已知的最為牢固的材料。

美國哥倫比亞大學(xué)James Hone和Jeffrey Kysar研究組在2008年7月《科學(xué)》雜志中宣布，石墨烯是世界上已知的最為堅固的材料。他們發(fā)現(xiàn)，在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，其每100納米距離上可承受的最大壓力達(dá)到約2.9微牛。這一結(jié)果相當(dāng)于，施加55牛頓的壓力才能使1米長的石墨烯斷裂。

如果能制作出厚度相當(dāng)于塑料包裝袋（厚度約100納米）的石墨烯，那么需要施加約兩萬牛頓的壓力才能將其扯斷。這意味著石墨烯比鉆石還要堅硬。

2008年9月26日的《科學(xué)》 雜志上公布，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗室固態(tài)量子信息實(shí)驗室的博士生蔡偉偉赴美國得克薩斯大學(xué)奧斯丁分校期間，在Rodney Ruoff教授和陳東敏研究員指導(dǎo)下，制備出高品質(zhì)13C同位素合成石墨, 還進(jìn)一步把13C-石墨解離成13C-石墨烯及其衍生物13C-氧化石墨烯。分析這種材料揭示出了爭議已久的氧化石墨烯化學(xué)結(jié)構(gòu)。

低噪聲 石墨烯晶體管

2008年3月IBM沃森研究中心的科學(xué)家在世界上率先制成低噪聲石墨烯晶體管。

普通的納米器件隨著尺寸的減小，被稱做1/f的噪音會越來越明顯，使器件信噪比惡化。這種現(xiàn)象就是“豪格規(guī)則(Hooge's law)”，石墨烯、碳納米管以及硅材料都會產(chǎn)生該現(xiàn)象。因此，如何減小1/f噪聲成為實(shí)現(xiàn)納米元件的關(guān)鍵問題之一。IBM通過重疊兩層石墨烯，試制成功了晶體管。由于兩層石墨烯之間生成了強(qiáng)電子結(jié)合，從而控制了1/f噪音。IBM華裔研究人員Ming-Yu Lin的該發(fā)現(xiàn)證明，兩層石墨烯有望應(yīng)用于各種各樣的領(lǐng)域。

2008年5月美國喬治亞科技學(xué)院教授德希爾與美國麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗室合作在單一芯片上生成的幾百個石墨烯晶體管陣列。

2008年6月底日本東北大學(xué)電氣通信研究所末光真希教授在硅襯底上生成單層石墨膜, 即石墨烯?？稍诓豢s小情況下實(shí)現(xiàn)器件高速度工作，例如可用于制作每秒1012赫茲級高頻器件和超級微處理器。單層石墨膜很難制作，為厚度僅為一個碳原子的蜂窩狀石墨結(jié)構(gòu)。末光教授的團(tuán)隊控制碳化硅形成時的結(jié)晶方向和硅襯底切割的結(jié)晶方向，得到100×150平方微米面積的兩層石墨膜，其晶格畸變率僅為1.7%。其他科研團(tuán)隊利用傳統(tǒng)方法的晶格畸變率為20%，因而不能制成可實(shí)際應(yīng)用的器件。末光教授的方法是將碳化硅襯底在真空條件下加熱至1000多度，除去硅而余下的碳，通過自組形式形成單層石墨膜。

石墨烯因其獨(dú)特的電學(xué)性能、力學(xué)性能、熱性能、光學(xué)性能和高比表面積，近年來受到化學(xué)、物理、材料、能源、環(huán)境等領(lǐng)域的極大重視，應(yīng)用前景廣闊，被公認(rèn)為21世紀(jì)的“未來材料”和“革命性材料”。具體在五個應(yīng)用領(lǐng)域：一是儲能領(lǐng)域。石墨烯可用于制造超級電容器、超級鋰電池等。二是光電器件領(lǐng)域。石墨烯可用于制造太陽能電池、晶體管、電腦芯片、觸摸屏、電子紙等。三是材料領(lǐng)域。石墨烯可作為新的添加劑，用于制造新型涂料以及制作防靜電材料。四是生物醫(yī)藥領(lǐng)域。石墨烯良好的阻隔性能和生物相容性，可用于藥物載體、生物診斷、熒光成像、生物監(jiān)測等。五是散熱領(lǐng)域。石墨烯散熱薄膜可廣泛應(yīng)用于超薄大功耗電子產(chǎn)品，比如當(dāng)前全球熱銷的智能手機(jī)、IPAD?電腦、半導(dǎo)體照明和液晶電視等。?

中國科學(xué)院預(yù)計，到2024年前后，石墨烯器件有望替代互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）器件，在納米電子器件、光電化學(xué)電池、超輕型飛機(jī)材料等研究領(lǐng)域得到應(yīng)用。全球范圍內(nèi)僅電子行業(yè)每年需消耗大約2500噸半導(dǎo)體晶硅，純石墨烯的市場價格約為人民幣1000元/g?，其若能替代晶硅市場份額的10%，就可以獲得5000億元以上的經(jīng)濟(jì)利益；全球每年對負(fù)極材料的需求量在2.5萬噸以上，并保持了20%以上的增長，石墨烯若能作為負(fù)極材料獲得鋰離子電池市場份額的10%，就可以獲得2500噸的市場規(guī)模?？梢?，石墨烯具有廣闊的應(yīng)用空間和巨大的經(jīng)濟(jì)效益 。2100433B

改變柵壓可以改變溝道中的電子密度，從而改變溝道的電阻。這種MOS場效應(yīng)晶體管稱為P溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)晶體管。如果N型硅襯底表面不加?xùn)艍壕鸵汛嬖赑型反型層溝道，加上適當(dāng)?shù)钠珘?，可使溝道的電阻增大或減小。這樣的MOS場效應(yīng)晶體管稱為P溝道耗盡型場效應(yīng)晶體管。統(tǒng)稱為PMOS晶體管。

P溝道MOS晶體管的空穴遷移率低,因而在MOS晶體管的幾何尺寸和工作電壓絕對值相等的情況下，PMOS晶體管的跨導(dǎo)小于N溝道MOS晶體管。此外，P溝道MOS晶體管閾值電壓的絕對值一般偏高，要求有較高的工作電壓。它的供電電源的電壓大小和極性,與雙極型晶體管——晶體管邏輯電路不兼容。PMOS因邏輯擺幅大，充電放電過程長，加之器件跨導(dǎo)小，所以工作速度更低，在NMOS電路(見N溝道金屬—氧化物—半導(dǎo)體集成電路)出現(xiàn)之后，多數(shù)已為NMOS電路所取代。只是,因PMOS電路工藝簡單,價格便宜，有些中規(guī)模和小規(guī)模數(shù)字控制電路仍采用PMOS電路技術(shù)。

PMOS集成電路是一種適合在低速、低頻領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的器件。PMOS集成電路采用-24V電壓供電。如圖1所示的CMOS-PMOS接口電路采用兩種電源供電。采用直接接口方式，一般CMOS的電源電壓選擇在10～12V就能滿足PMOS對輸入電平的要求。

MOS場效應(yīng)晶體管具有很高的輸入阻抗，在電路中便于直接耦合，容易制成規(guī)模大的集成電路。