外延石墨烯可能成为电子产品的新平台材料

移动硅。镇上有一个新的电子材料，它快速。

该材料是2010年诺贝尔物理学奖的重点，是石墨烯 - 用于极其薄层的普通碳原子层的花哨的名称，布置在“鸡肉线”格子中。这些层，有时只是单个原子厚，电力几乎没有阻力，发热非常小 - 比硅的功耗更少。

随着硅器件制造接近其物理极限，许多研究人员认为石墨烯可以提供一种新的平台材料，使半导体行业能够继续向更小更快的电子设备迈进——这一进展如摩尔定律所述。尽管石墨烯可能永远不会在日常电子应用中取代硅，但它可以成为高性能设备的首选材料。

和石墨烯最终可能会产生新一代设备，旨在利用其独特的特性。

自2001年以来，佐治亚理工学院在开发外延石墨烯方面处于世界领先地位。外延石墨烯是一种特殊类型的石墨烯，可在大晶片上生长，并用于电子制造。在最近发表在《自然纳米技术》杂志上的一篇论文中，佐治亚理工学院的研究人员报告说，他们在一个0.24平方厘米的芯片上制造了一个由10,000个顶门控晶体管组成的阵列，这被认为是迄今为止石墨烯器件中密度最高的一项成就。

在制造这种阵列的过程中，他们还展示了一种巧妙的新方法，可以在蚀刻到碳化硅的模板上生长复杂的石墨烯图案。这项新技术解决了石墨烯电子面临的最困难的问题之一。

“这是Graphene电子制造业的重要一步，”格鲁吉亚科技学院教授沃尔特·德赫尔（Galtia Tech）的物理学教授表示，为高性能电子产品开发石墨烯。“这是另一步，表明我们在碳化硅上生长的外延石墨烯的方法是正确的方法，并且可能用于制作石墨烯电子的方法。”

展开碳纳米管

对于De Heer，石墨烯的故事始于碳纳米管，微小的圆柱形结构被认为是奇迹，当他们首次开始被科学家在1991年开始研究。De Heer是对纳米管的性质兴奋的研究人员中，其独特的碳原子排列他们认为科学家认为可以成为新一代电子设备的基础。

碳纳米管仍然具有吸引人的特性，但迄今为止，研究人员一直未能实现让它们持续生长，并将它们应用于大规模电子应用的能力。德希尔比其他人更早意识到碳纳米管可能永远不会被用于大批量电子设备。

但他也意识到，纳米管具有吸引人的电子特性的关键在于碳原子创造的晶格。为什么不简单地在平面上生长这种晶格，并使用微电子工业中已被证明的制造技术来制造类似于硅集成电路的设备呢?

通过加热碳硅——一种广泛使用的电子材料——de Heer和他的同事们能够将硅原子从表面驱动出去，只留下薄层石墨烯中的碳晶格，这些石墨烯足够大，可以生长出一代电子设计师所熟悉的电子设备。

该过程是2003年提交的专利的基础，以及芯片制造商英特尔的初步研究支持。从那时起，De Heer的小组发布了数十篇论文，并帮助产卵其他研究组也使用外延石墨烯作为电子设备。虽然科学家们仍在了解材料，但IBM等公司已经推出了基于外延石墨烯的研究计划，以及国家科学基金会（NSF）和国防高级研究项目（DARPA）等机构已投入为未来的材料开发材料欧洲杯线上买球电子应用。

瑞典皇家科学院(Royal Swedish Academy of Sciences)的背景论文承认了乔治亚理工学院(Georgia Tech)在开发用于制造电子设备的外延石墨烯方面的工作，并将其作为诺贝尔奖文件的一部分。欧洲杯线上买球

寻找石墨烯商业申请的竞争是激烈的，来自美国，欧洲，日本和新加坡的研究人员从事资金良好的努力。自从诺贝尔向来自英国的一群人颁布以来，关于石墨烯发展的新闻发布已经增长。

“我们的外延石墨烯现在被世界各地的许多研究实验室所使用，”de Heer指出。“我们可能正处于20世纪50年代硅时代的阶段。这将是一件非常重大的事情的开始。”

硅“耗尽气”

需要一种新的电子材料，因为硅正在耗尽微型化的空间。

“主要是，通过不断缩小特征尺寸和改善互连技术，我们已经从硅的速度增加了，”国家科学基金会赞助的材料研究科学与工程中心（MRSEC）主任Dennis Hess表示，在Georgia Tech学习欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球未来的电子材料，从外延石墨烯开始。欧洲杯足球竞彩“我们在不到10年的时间内，我们将无法缩小特征尺寸，因为设备操作的物理。这意味着我们要么必须改变我们制作的设备类型，或者改变我们使用的电子材料。“

这是一个物理问题。在非常小的尺寸范围内，硅需要制造更密集的设备阵列，硅对电子流产生了太多的阻力，产生的热量超过了可以消散的热量，消耗了太多的能量。

石墨烯没有这样的限制，事实上，它可以提供比硅好100倍的电子迁移率。De Heer相信，他的团队已经为高性能电子产品的未来制定了路线图——而且是以外延石墨烯为基础的。

他说:“我们基本上已经开发了一套用石墨烯制造电子产品的完整方案。”“我们已经制定了我们认为将是如何工作的基本规则，而且我们有关键的专利。”

当然，硅已经经过了几代人的不断研究和改进而成熟起来。德希尔和赫斯一致认为，硅将永远存在，用于ipod、烤面包机、个人电脑等低成本消费产品。

De Heer期待石墨烯找到它的利基做出无法完成的事情。

“我们并不试图做更便宜或更好的事情;我们打算做任何不能用硅做的事情，”他说。例如，“将电子设备制造为分子，不能用硅完成，但原则上可以用石墨烯来完成。关键问题是如何在后CMOS世界中扩展Moore的法律。”

与他在20世纪90年代研究的碳纳米管不同，de Heer认为外延石墨烯的发展没有什么重大问题。

他说:“石墨烯将成为未来电子领域的主要参与者，这一点毋庸置疑。”“我们看不到前方有任何真正的障碍。没有闪烁的红灯或其他迹象表明这行不通。我们看到的所有问题都与改善技术问题有关，我们知道如何做到这一点。”

制造最好的石墨烯

自2001年开始探索石墨烯以来,德陆军和他的研究小组已经连续改进他们生产的材料的质量,这些改进让他们展示一系列的物理性质,如量子霍尔效应,验证材料的独特性能。

“我们在我们的外延石墨烯中看到的属性类似于我们在空中悬挂的理想理论张图石墨烯的计算，”格鲁吉亚科技学院的研究科学家Claire Berger也有一个教师预约在法国的中心国家De La Recherche Scientifique。“我们在电子传输中看到这些属性，我们在各种光谱中看到这些属性。我们在我们的系统中看到的一张石墨烯中应该发生的一切。”

当然，材料的未来的关键是能够使电子设备一致地制作。研究人员认为他们几乎达到了这一点。

“外延石墨烯用于电子设备所需要的所有特性都在这种材料中得到了证实，”佐治亚理工学院物理学院教授、MRSEC成员埃德·康拉德(Ed Conrad)说。“我们已经证明，我们可以制造宏观数量的这种材料，有了可扩展的设备，我们就有了真正让石墨烯起飞的基础。”

达到越来越高的器件密度也很重要，同时也要有能力控制产生的石墨烯层数。研究小组已经证明，在他们的多层石墨烯中，每一层都保持了所需的性能。

“多层石墨烯与铅笔中发现的石墨有不同的堆积方式，”康拉德指出。“在石墨中，每一层都被旋转了60度，这是大自然能做到的唯一方法。当我们在碳化硅上生长石墨烯时，层会旋转30度。当这种情况发生时，系统的对称性会发生变化，使材料按照我们希望的方式运动。”

外延和脱落

世界上很多关于石墨烯的研究——包括导致诺贝尔奖的工作——都涉及到剥离石墨烯的研究:最初是用胶带从一块石墨上剥离的材料层。虽然这种技术可以生产高质量的石墨烯，但尚不清楚如何将其扩大到工业生产。

同时同意灭绝的材料已经产生了有关石墨烯属性的有用信息，但De Heer将其视为“科学项目”，不太可能具有工业电子产品的应用。欧洲杯线上买球

“电子公司对石墨烯片并不感兴趣，”他说。“他们需要工业石墨烯，一种可用于高批量生产的材料。行业现在越来越多，对我们正在做的事情越来越感兴趣。”

De Heer说，佐治亚理工学院在新的石墨烯世界中的位置是专注于电子应用。

“我们并没有真正试图与这些其他群体竞争，”他说。“我们真的试图创造一个实用的电子材料。为此，我们将不得不做很多事情，包括制造可伸缩的材料，可以像晶圆一样大。它必须是均匀的使用工业方法处理。“

解决技术问题

石墨烯器件面临的重要技术问题之一是发生在纳米带边界上的电子散射。如果边缘不是完全光滑——就像电子束切割材料时通常发生的那样——粗糙的表面会使电子四处反弹，产生阻力和干扰。

为了解决这个问题，de Heer和他的团队最近开发了一种新的“模板生长”技术，用于制造纳米级石墨烯设备。该技术涉及在外延石墨烯生长的碳化硅表面蚀刻图案。这些模式作为模板指导石墨烯结构的生长，允许在不使用电子束或其他破坏性切割技术的情况下形成特定宽度的纳米带。用这些模板产生的石墨烯纳米带具有平滑的边缘，避免了电子散射问题。

de Heer说:“使用这种方法，我们可以制作非常窄的互连石墨烯带，没有粗糙的边缘。”“任何不需要切割就能制造出小结构的方法对石墨烯电子学的发展都是有用的，因为如果边缘太粗糙，电子通过条带时就会在边缘上分散，从而降低石墨烯的理想性能。”

在纳米尺度的石墨烯带中，量子限制使这种材料表现为适合制造电子设备的半导体。但在一微米左右宽的条带中，这种材料充当导体。通过控制碳化硅模板的深度，研究人员可以使用相同的生长过程同时创建这些不同的结构。

“相同的材料可以是导体或半导体，这取决于其形状，”德赫特指出。“石墨烯电子产品的主要优点之一是使装置引线和来自相同材料的半导体带。这对于避免在不同材料之间的连接处产生的电阻是很重要的。”欧洲杯足球竞彩

在形成纳米杆后，研究人员应用介电材料和金属栅极以构建场效应晶体管。虽然成功的高质量晶体管的制造展示了石墨烯作为电子材料的可行性，但De Heer仅仅看到了它们可以用材料进行的第一步。

他说:“当我们成功地在纳米尺度上制造设备时，我们就可以继续制造更小、更精细的结构，这将超越传统的晶体管，从而有可能制造更复杂的设备，使用电子更像光，而不是粒子。”欧洲杯猜球平台“如果我们能把量子力学的特性考虑到电子学中，那将开启许多新的可能性。”

与其他团体的合作

在工程师可以使用外延石墨烯之前用于下一代电子设备，它们将不得不了解其独特的属性。作为该过程的一部分，格鲁吉亚科技研究人员正在与国家标准与技术研究所（NIST）的科学家合作。协作产生了新的见解，以电子在石墨烯中的表现方式。

在最近发表在《自然物理》杂志上的一篇论文中，佐治亚理工学院的nist团队首次描述了外延石墨烯层的磁场是如何在空间上分布电子轨道的。他们还发现，这些电子轨道可以与生长石墨烯的衬底相互作用，产生能隙，影响电子波在多层材料中的移动方式。

“石墨烯表面中的磁诱导能隙的规则模式产生了不允许电子运输的区域，”格鲁吉亚理学院和MRSEC成员的教授。“电子波必须围绕这些区域，需要新的电子波干扰模式。了解这种干扰对于已经提出的一些双层石墨烯装置很重要。”

NIST早期的合作提高了对石墨烯电子态的理解，以及低温和高磁场影响能级的方式。研究人员还证明了原子尺度moiré模式(当两个或多个石墨烯层叠加时出现的干涉模式)可以用来测量石墨烯薄片的堆叠方式。

在与美国海军研究实验室和伊利诺伊大学的合作中，乔治亚州科技教授的一批乔治亚州科技教授开发了一种简单而快速的一步法，用于在氧化物上创造纳米线。

“通过本地加热绝缘石墨烯氧化物，薄片和外延品种，具有原子力显微镜尖端，我们可以将南蔚的尺寸写下至12纳米，”格鲁吉亚副教授Elisa Riedo表示，“Elisa Riedo表示物理学学院和MRSEC成员。“我们可以调整它们的电子特性，最多四个导电性。”

一个新的工业革命？

虽然石墨烯可以用类似于硅的方法生长和制造，但它不容易与硅相容。这意味着采用该技术的公司还必须建造新的制造设施，这是一项昂贵的投资。因此，de Heer认为工业界将谨慎进入一个新的石墨烯世界。

他承认:“硅技术已经得到了完全的巩固和发展。”“我们可以采用硅的许多工艺，但我们不能轻易地把自己融入硅中。正因为如此，我们真的需要一个重大的范式转变。但对于庞大的电子行业来说，这不会轻易或温和地发生。”

他对航空年龄曙光的曙光和乘客列车造成了比喻。在某些时候，很明显，客机将取代海上衬里和火车在提供一流的乘客服务时。虽然航空旅行的成本较高，但乘客愿意为更高的速度支付溢价。

“我们将在一段时间内看到技术的共存，而石墨烯和硅电子的杂交将如何发生仍是未知数，”de Heer预测。“这将需要几十年的时间，尽管在未来10年里，我们可能会看到真正的商业设备使用石墨烯。”

来源:http://www.gatech.edu/