石墨烯讓處理器「飛起來」—新聞—科學網

2020-11-27 科學網

 

時鐘速度（clock speed）是衡量一款電腦速度的重要標準，目前，個人計算機的時鐘速度已經達到GHz級別，然而這還不夠瘋狂，現已有科學家運用石墨烯把該速度提高到了讓人們吃驚的100GHz。

日前，莫斯科物理與技術研究院（MIPT）的科學家已經找到利用石墨烯來提高隧道電流的方法。石墨烯本質上是一個二維結構，儘管只是一張由碳原子組成的薄片，但它卻擁有一些不尋常的電子特性。

傳統電晶體的工作方式是其所包含的電子，由能量源激發，從一端穿過能量勢壘躍遷到另一端產生電流。這是一種很好的工作方式，但目前人們不能使它們擁有更高的能源效率。

隧道電晶體相對於標準電晶體的運行功率更低。隧道電晶體所包含的電子因量子隧道效應穿過能量勢壘，穿過能量勢壘的過程就是電子「運輸」的過程。但目前隧道電晶體的問題是，電流抵達另一端時就會因變得太小而無法使用。

研究者們通過構建模型來研究由兩層石墨烯黏結在一起形成的雙層石墨烯的性能，發現了一些奇怪的能量帶和電子的能量範圍。雙層石墨烯的能量帶類似於「墨西哥帽」的形狀，而不是大多數半導體產生的拋物線形狀。

在帽子形狀邊緣的電子密度趨於無窮大，當一個低電壓施加到電晶體的柵極，大量的電子立即穿過隧道，結果導致能量勢壘的另一端電流發生瞬間改變。這種結果與標準電晶體所表現的相同，但雙層石墨烯電晶體需要的電壓更低。

研究人員Dmitry Svintsov 說道：「這意味著電晶體需要的能量交換更少，晶片需要的能量更低，因而產生的熱量也更少，不再需要強大的冷卻系統對多餘的熱量進行冷卻，更不用擔心產生的多餘熱量會破壞晶片，進而時速得到大幅度提高。」

雙層石墨烯電晶體的製備還可以略去複雜的「化學摻雜」，然而為了擴展半導體的能帶，這個步驟對傳統電晶體的生產而言是非常必要的。在不通過「化學摻雜」的情況下，對於雙層石墨烯電晶體，通過「電子摻雜」同樣可以實現半導體能帶的擴展，這是相同過程下運行電晶體的副效應。

研究者們解釋說「墨西哥帽」的邊緣發生著許多重要的效應，這些效應在之前是很難被測量的，但是通過使用更高質量的基底（承載雙層石墨烯的材料），他們第一次用實驗清楚地證實了範霍夫奇點。

雙層石墨烯在150mV電壓範圍內工作與矽電晶體在500mV電壓範圍內工作相比較，雙層石墨烯電晶體的重要優勢是可以首先有效地大幅提高計算能力。

Svintsov 說：「功率低，電子部件的溫度也低，這意味著我們可以讓晶片運行在極高的頻率——不是GHz級別的提升，而是數十甚至上百倍。」（盛夏整理）

《中國科學報》 (2016-06-07 第6版 前沿)

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