港媒：中美合作打造全球第一个石墨烯半导体，可能改变芯片未来

近日，香港知名国际媒体《南华早报》消息称，中美科学家首次合成了石墨烯半导体，这是一种可能为下一代超级计算机提供更高性能芯片的重大进步。

石墨烯是一种由单层碳原子构成的二维材料，它的厚度仅为人类头发的百万分之一，但却比钢铁更坚固，而且具有极高的导电性和抗热性。

自从 2004 年被发现以来，石墨烯就被誉为“奇迹材料”，并被寄予了在电子学、能源、医疗等领域的广泛应用的期望。

石墨烯的电子性能是其最引人注目的特点之一。石墨烯上的电子可以以接近光速的速度移动，这意味着它可以实现非常快的信号传输和数据处理。

石墨烯还具有很高的载流子密度，也就是每单位面积上的可移动电子的数量，这决定了它可以承受很大的电流。此外，石墨烯还有很好的热导率，可以有效地散发热量，避免过热的问题。

这些特性使得石墨烯在电子学领域有着巨大的潜力，尤其是在计算机芯片的制造上。

如果能够用石墨烯代替硅，那么计算机的性能将会得到极大的提升，同时也能够节省能源和空间，实现更高效和更小型的电子设备。

石墨烯的难题：如何成为一种半导体

然而，石墨烯的应用也面临着一个关键的难题，那就是如何让它成为一种半导体，也就是能够根据需要控制电流的开关的材料。

半导体是计算机芯片的核心组成部分，它们能够通过控制电流的通断，实现二进制的逻辑运算，从而完成各种复杂的计算任务。

目前，几乎所有的计算机芯片都是由硅制成的，但硅半导体也有其局限性，比如功耗高、发热大、速度慢等。

科学家们一直在寻找一种能够替代硅的新型半导体材料，而石墨烯由于其优异的电子性能，被认为是最有希望的候选者之一。

然而，要让石墨烯成为一种半导体，就必须在其结构上引入一个能隙，也就是电子能量的跃迁点，这样才能实现电流的开关控制。

这一过程非常困难，以至于过去的研究都只能在很小的尺度上实现，而无法扩展到实用的芯片制造中。

石墨烯本身是一种零能隙材料，也就是说，它的电子能量是连续的，没有间隙。这使得石墨烯上的电子可以自由地流动，而不受任何阻碍，这也是它具有高导电性的原因。

但是，这也意味着，石墨烯无法实现电流的开关控制，也就无法作为一种半导体使用。

要在石墨烯上创造一个能隙，就需要对其结构进行一些改变，比如剪切、折叠、扭曲、掺杂等。这些方法都可以在一定程度上改变石墨烯的电子性质，但是也会带来一些副作用，比如降低其导电性、增加其缺陷、影响其稳定性等。

而且，这些方法都很难在大面积的石墨烯上实现，因为石墨烯的结构非常脆弱，很容易被破坏。

因此，石墨烯半导体的制造一直是一个悬而未决的难题，也是阻碍石墨烯在计算机芯片领域应用的最大障碍。

石墨烯半导体的突破：一种新的方法

2024 年 1 月 3 日，一项刊登在《自然》杂志上的研究引起了全球科技界的轰动。

来自中国天津大学和美国佐治亚理工学院的科学家们，首次合成了一种功能性的石墨烯半导体，这一材料的电子性能远超过现有的硅芯片，有望开启超高速计算的新时代。

这项研究的主要贡献是，它提出了一种新的方法，能够在石墨烯上创造出一个能隙，并且还制作出了一个工作正常的晶体管，也就是电流的开关器件。

这种方法不仅具有功能性，而且还能够与现有的微电子加工技术相兼容，这意味着它有可能成为硅芯片的替代品，从而实现计算机性能的飞跃式提升。

这种方法的核心是，在硅化碳的晶片上加热，使硅原子蒸发，留下一层石墨烯，然后再通过一种新的退火技术，使石墨烯的结构发生变化，形成一个能隙。

这种方法的优点是，它不需要对石墨烯进行任何物理或化学的改变，而是利用了石墨烯本身的特性，通过控制温度和时间，实现了石墨烯的自组装和自调节。

这种石墨烯半导体的电子性能是惊人的。它的载流子迁移率，也就是电子在电场下的移动速度，是硅芯片的 1000 倍，甚至是目前最先进的半导体材料的 10 倍。

这意味着，它可以实现非常快的信号传输和数据处理，从而提高计算机的运算速度和效率。

研究的主要负责人之一，佐治亚理工学院的物理学教授 Walter de Heer 在一份新闻稿中表示，石墨烯半导体的电子性能远远超过硅芯片。

“这就像在砂石路上开车和在高速公路上开车的区别，”他说，“在砂石路上，你的车速受到路面的限制，而在高速公路上，你的车速只受到你的引擎的限制。石墨烯半导体就像一条高速公路，它可以让电子以极快的速度流动，而不受任何阻碍。”

石墨烯是一种具有神奇性能的材料，它在电子学领域有着巨大的潜力，尤其是在计算机芯片的制造上。

然而，要让石墨烯成为一种半导体，就必须在其结构上引入一个能隙，这一过程非常困难，一直是石墨烯应用的最大障碍。

这项研究不仅是石墨烯芯片制造领域的一次重大突破，也是中国在芯片技术上的一次重大进展，将有助于推动中国在芯片技术上的自主创新和国际竞争力。

这项研究也为计算机技术的发展带来了新的希望，石墨烯半导体可能成为硅芯片的替代品，从而实现计算机性能的飞跃式提升，开启一个新的计算机时代。