石墨烯電晶體超強的性能——將會取代矽電晶體

當我11歲的時候，我組裝自己的第一臺電腦。在建造它的過程中，我不得不研究電腦部件。

然而，在組裝了那臺電腦之後，我並沒有停止研究電腦零件。當我閱讀所有發現的信息時，我開始對cpu及其功能著迷。現代電腦的CPU在一平方毫米內擁有超過1億個電晶體。

對於大多數用戶來說，現代的cpu足以完成日常任務。然而，我發現cpu實際上在過去十年中並沒有變得更快。這是一個問題。科學家們也知道這是個問題。這就是為什麼他們開始尋找矽電晶體的替代材料。他們發現了石墨烯。

石墨烯的性質

石墨烯獲得「神奇材料」的稱號是有充分理由的。組成它的元素，碳，是地球上最豐富的元素之一，但只是簡單地以一種獨特的方式排列。它只有一個原子的厚度。

石墨烯的強度是鋼的200倍，重量是鋼的6分之一，導電性是矽的100倍(就電子遷移率而言)，導電性是銅的13倍。由於它只有一個原子的厚度，所以材料實際上是二維的。每平方米石墨烯的重量為0.77毫克，因此不足一克的石墨烯就可以覆蓋整個足球場。

科學家們得出結論，鑑於這些特性，石墨烯可以被廣泛應用於建築、輕型裝甲、消費品和電子產品等領域。但在某個環節出現了一些問題，因為我們沒有在任何地方看到石墨烯，這是為什麼？

石墨烯是一種很難製造的材料。儘管它只是碳原子，但是要在相當大的規模上將碳原子排列在二維的六角形晶格中是非常困難的。僅一個缺陷就足以弄亂整個結構並大大降低材料的性能。

石墨烯的質量和數量取決於石墨烯的製備方法。雖然有很多，我只會帶你通過兩個最重要的：透明膠帶方法和化學蒸汽沉積法。

石墨烯生產

透明膠帶法

這是從石墨中提取石墨烯的最便宜、最簡單、最優質的方法。這很簡單，也可以在家裡做。石墨是你用來寫字的鉛筆的一部分，實際上你可以從鉛筆的尖端提取石墨烯。

把一根膠帶粘在一塊石墨上，把它撕掉，注意到膠帶上有一些石墨殘渣。然後，反覆粘貼和剝離膠帶，直到膠帶上剩下的石墨只有一個原子那麼厚。這就是石墨烯。

石墨烯就是這樣被發現的。這種方法可以製備出高質量的石墨烯薄片。它的缺點是浪費膠帶和時間，而且一次只能產生很少的石墨烯。

化學氣相沉積(CVD)

化學氣相沉積首先是將碳在高溫下蒸發，然後將其置於沉積基板上。襯底是某種物質(石墨烯)沉積在其上的表面。石墨烯將在5分鐘內開始在基板上形成。

然後，使用金屬催化劑將過程所需溫度從2500℃降至1000℃。必須格外小心，以降低催化劑在石墨烯中產生雜質的風險。然後將沉積基板的石墨烯層置於目標基板上。將金屬電極置於石墨烯上，然後將石墨烯通道塑造成所需的形狀和尺寸。

CVD可以製備出高質量的高容量石墨烯。然而，這個過程是昂貴和複雜的，涉及許多複雜的步驟。時至今日，這仍然是石墨烯生產中最全面的方法。

石墨烯半導體

石墨烯並非製造石墨烯電晶體的唯一挑戰。這是因為石墨烯並不完全是半導體，因為所有的價電子都與同一元素原子的其他價電子共價結合，從而沒有空間分散電子。

矽原子間共價結合這很容易通過一種叫做摻雜的過程來改變，它將雜質引入元素，在摻雜元素的結構中產生空穴或多餘的電子。

然而，石墨烯是不同的。在一個六邊形圖案中，每個碳原子與另外3個相連，每個碳原子留下1個電子。電子可以毫無阻力地穿過整個結構，有效地使石墨烯成為導體。這是有問題的，因為我們需要石墨烯成為半導體。

半導體由帶隙定義。帶隙是激發電子從其價帶（其不能導電）躍遷到導帶（其可以導電）所需的能量。簡而言之，帶隙使電晶體具有「關閉」的能力，這對於電晶體的功能是必需的。

半導體的帶隙

絕緣體帶隙大，導體帶隙小。半導體通常有一個中等大小的帶隙。如果石墨烯是導體，它就不會有帶隙，也沒有關閉的能力，使得它作為電晶體材料毫無用處。

然而，科學家們用雙層石墨烯(實際上是兩層石墨烯)創造了一種解決方案。雙層石墨烯與單層石墨烯一樣，沒有帶隙。但是通過在石墨烯的兩層上都施加一個電位移場，就可以產生一個可調的帶隙。這個帶隙可以控制在0 - 0.25 ev的範圍內。這使得石墨烯可以作為半導體。

2種雙層石墨烯儘管在石墨烯上設計帶隙是製造石墨烯電晶體的有效方法，但它有很多缺陷。這是一個複雜而昂貴的過程，同時也損害了石墨烯優越的性能。

幸運的是，西班牙的研究人員發現了一個經濟的解決方案，用與矽類似的帶隙(1ev)來製造石墨烯。這使石墨烯在電晶體和cpu的使用上成為比矽更好的選擇。

加泰隆尼亞納米科學和納米技術研究所採用了一種自底向上的方法來製造石墨烯(自底向上意味著原子和分子被單獨放置以構建特定的結構)，並為電子使用提供了完美的帶隙。

他們通過在石墨烯上裝配納米孔(一個非常小的孔)來實現這一點，使這些孔具有完美的形狀、大小和密度，從而創造出最佳的帶隙。後來，石墨烯被製成了場效應電晶體(與當前cpu使用的電晶體類型相同)，以證明其有效性。

既然石墨烯已被證明是製造電晶體的一種非常可行的材料，對計算能力的需求就有可能得到滿足。當然，這項技術要花上幾年的時間才能最終適應。然而，一旦成功，這對整個科技市場來說都是件好事。

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