世界石墨稀半導(dǎo)體在電子元器件方面的研發(fā)又有新的進(jìn)展

石墨烯（graphene）的問世，讓科技在原有的基礎(chǔ)上又發(fā)展了一個(gè)新的臺階，在不久的將來，會被應(yīng)用到電子行業(yè)，如CPU等，能將CPU的核心速度達(dá)到300G，人類將走進(jìn)電子行業(yè)的新時(shí)代。石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，是碳的二維結(jié)構(gòu)，是一種“超級材料”，硬度超過鉆石，同時(shí)又像橡膠一樣可以伸展。它的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能超過任何銅線，重量幾乎為零。這種石墨晶體薄膜的厚度只有0.335納米，把20萬片薄膜疊加到一起，也只有一根頭發(fā)絲那么厚。

以單層碳素原子形成的極薄的網(wǎng)狀物質(zhì)，具有極強(qiáng)的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，較同樣厚度的鋼鐵要結(jié)實(shí)100倍。英國的曼徹斯特大學(xué)的安德烈蓋姆（AndreGeim，音，54歲）博士等人因研究出從石墨提取出石墨烯的方法，于2010年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。韓國人美國哥倫比亞大學(xué)韓國人金必立（音，45歲）教授被譽(yù)為該領(lǐng)域世界頂級專家之一。金教授在此次樸研究員的論文中以共同作者提名。


三星電子成功開發(fā)出可生產(chǎn)比原有半導(dǎo)體芯片速度快百倍以上的芯片的新型基礎(chǔ)元件。這就是以號稱“夢之新材料”的“石墨烯（Graphene）”制成的元件，是三星電子綜合技術(shù)院樸成?。ㄒ簦?1歲）專門研究院小組研究成果。該成果于5月17日（當(dāng)?shù)貢r(shí)間）被刊載在世界最高權(quán)威科學(xué)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》網(wǎng)絡(luò)版，預(yù)計(jì)不久將會刊登于印刷版中。

研究的要旨是“使用石墨烯，制成晶體管”。石墨烯晶體管比目前現(xiàn)有的半導(dǎo)體晶體管的傳導(dǎo)速度要快出數(shù)百倍。這可立即引發(fā)芯片的速度提升。芯片是由數(shù)十億個(gè)極小的晶體管排列組成的。

如果石墨烯被很好使用，可以制成更快的晶體管和芯片，科學(xué)家們早就關(guān)注到了這點(diǎn)。因此，全世界都在競相開發(fā)研制石墨烯晶體管。在這場激烈的競爭中，三星電子研究組率先揍響了凱歌。這得益于“在石墨烯上附上半導(dǎo)體”的創(chuàng)意。如果要制成晶體管，需要捕獲電子的技術(shù)，但在石墨烯內(nèi)部，這不是件容易完成的事情。在石墨烯上結(jié)合硅制成“蕭特基（Schottky）屏障”，該屏障的高度像水壩一樣時(shí)漲時(shí)降，以此來實(shí)現(xiàn)不斷反復(fù)捕獲與釋放電子。三星電子將這樣的晶體管起名為“Barristor”。“Barristor”是“barrier（屏障）”和“transistor（晶體管）”結(jié)合而成的合成詞。

樸研究員說：“小組成員的專業(yè)多樣，這樣可以更好地解決時(shí)而碰到的問題”?！皩W(xué)問融合的力量”是世界最先研發(fā)出石墨烯晶體管的原動(dòng)力。樸研究員畢業(yè)于首爾大學(xué)化工學(xué)系，在美國斯坦福大學(xué)取得博士學(xué)位。綜技院研究組擁有包括樸研究員在內(nèi)的7名成員，專業(yè)分別來自物理?化學(xué)?材料工程學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域?！耙胫瞥隹蓪?shí)際電子器械中使用石墨烯芯片，需要經(jīng)過制出更小的晶體管、以此基礎(chǔ)上構(gòu)成集成電路，以及再進(jìn)行大量生產(chǎn)等多個(gè)階段”，“將會不懈努力，直到實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)”。

制備方法：

　　石墨烯的合成方法主要有兩種：機(jī)械方法和化學(xué)方法。機(jī)械方法包括微機(jī)械分離法、取向附生法和加熱SiC的方法 ； 化學(xué)方法是化學(xué)還原法與化學(xué)解理法。
　　
微機(jī)械分離法

最普通的是微機(jī)械分離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來。

2004年Novoselovt等用這種方法制備出了單層石墨烯，并可以在外界環(huán)境下穩(wěn)定存在。典型制備方法是用另外一種材料膨化或者引入缺陷的熱解石墨進(jìn)行摩擦，體相石墨的表面會產(chǎn)生絮片狀的晶體，在這些絮片狀的晶體中含有單層的石墨烯?！〉秉c(diǎn)是此法是利用摩擦石墨表面獲得的薄片來篩選出單層的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，無法可靠地制造長度足供應(yīng)用的石墨薄片樣本。取向附生法—晶膜生長取向附生法是利用生長基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)“種”出石墨烯，首先讓碳原子在 1 1 5 0 ℃下滲入釕，然后冷卻，冷卻到850℃后,之前吸收的大量碳原子就會浮到釕表面，鏡片形狀的單層的碳原子“ 孤島” 布滿了整個(gè)基質(zhì)表面，最終它們可長成完整的一層石墨烯。第一層覆蓋 8 0 %后，第二層開始生長。底層的石墨烯會與釕產(chǎn)生強(qiáng)烈的交互作用，而第二層后就幾乎與釕完全分離，只剩下弱電耦合，得到的單層石墨烯薄片表現(xiàn)令人滿意。但采用這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會影 響碳層的特性。另外Peter W.Sutter 等使用的基質(zhì)是稀有金屬釕。

加熱 SiC法 　　

該法是通過加熱單晶6H-SiC脫除Si，在單晶(0001) 面上分解出石墨烯片層。具體過程是：將經(jīng)氧氣或氫氣刻蝕處理得到的樣品在高真空下通過電子轟擊加熱，除去氧化物。用俄歇電子能譜確定表面的氧化物完全被移除后，將樣品加熱使之溫度升高至1250~1450℃后恒溫1min~20min，從而形成極薄的石墨層，經(jīng)過幾年的探索，Berger等人已經(jīng)能可控地制備出單層或是多層石墨烯。其厚度由加熱溫度決定，制備大面積具有單一厚度的石墨烯比較困難。 　　包信和等開發(fā)了一條以商品化碳化硅顆粒為原料，通過高溫裂解規(guī)模制備高品質(zhì)無支持（Free standing）石墨烯材料的新途徑。通過對原料碳化硅粒子、裂解溫度、速率以及氣氛的控制，可以實(shí)現(xiàn)對石墨烯結(jié)構(gòu)和尺寸的調(diào)控。這是一種非常新穎、對實(shí)現(xiàn)石墨烯的實(shí)際應(yīng)用非常重要的制備方法。 　　

化學(xué)還原法

化學(xué)還原法是將氧化石墨與水以1 mg/mL的 比例混合， 用超聲波振蕩至溶液清晰無顆粒狀物質(zhì)，加入適量肼在1 0 0℃回流2 4 h ，產(chǎn)生黑色顆粒狀沉淀，過濾、烘干即得石墨烯。Sasha Stankovich 等利用化學(xué)分散法制得厚度為1 nm左右的石墨烯。 　　化學(xué)解理法 　　化學(xué)解理法是將氧化石墨通過熱還原的方法制備石墨烯的方法，氧化石墨層間的含氧官能團(tuán)在一定溫度下發(fā)生反應(yīng)，迅速放出氣體，使得氧化石墨層被還原的同時(shí)解理開，得到石墨烯。

這是一種重要的制備石墨烯的方法，天津大學(xué)楊全紅等用低溫化學(xué)解理氧化石墨的方法制備了高質(zhì)量的石墨烯