世界石墨稀半導體在電子元器件方面的研發(fā)又有新的進展

石墨烯（graphene）的問世，讓科技在原有的基礎上又發(fā)展了一個新的臺階，在不久的將來，會被應用到電子行業(yè)，如CPU等，能將CPU的核心速度達到300G，人類將走進電子行業(yè)的新時代。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，同時又像橡膠一樣可以伸展。它的導電和導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)，具有極強的導熱導電性能，較同樣厚度的鋼鐵要結(jié)實100倍。英國的曼徹斯特大學的安德烈蓋姆（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獎。韓國人美國哥倫比亞大學韓國人金必立（音，45歲）教授被譽為該領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)比原有半導體芯片速度快百倍以上的芯片的新型基礎元件。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院樸成?。ㄒ?，41歲）專門研究院小組研究成果。該成果于5月17日（當?shù)貢r間）被刊載在世界最高權(quán)威科學學術期刊《科學》網(wǎng)絡版，預計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)有的半導體晶體管的傳導速度要快出數(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，科學家們早就關注到了這點。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體”的創(chuàng)意。如果要制成晶體管，需要捕獲電子的技術，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漲時降，以此來實現(xiàn)不斷反復捕獲與釋放電子。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而碰到的問題”?！皩W問融合的力量”是世界最先研發(fā)出石墨烯晶體管的原動力。樸研究員畢業(yè)于首爾大學化工學系，在美國斯坦福大學取得博士學位。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?材料工程學等各個領域?！耙胫瞥隹蓪嶋H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、以此基礎上構(gòu)成集成電路，以及再進行大量生產(chǎn)等多個階段”，“將會不懈努力，直到實現(xiàn)這一目標”。

制備方法：

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

最普通的是微機械分離法，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、對實現(xiàn)石墨烯的實際應用非常重要的制備方法。 　　

化學還原法

化學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 等利用化學分散法制得厚度為1 nm左右的石墨烯。 　　化學解理法 　　化學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在一定溫度下發(fā)生反應，迅速放出氣體，使得氧化石墨層被還原的同時解理開，得到石墨烯。

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