芯片領域又有重大突破了，而且是顛覆性劃時代的，但很多人可能都還沒有意識到。這次是中美兩國科學家聯手，首次將石墨烯製成了半導體，這意味着芯片可能即將由硅基時代進入碳基時代，開啓人類文明的新篇章。摩爾定律可能也不得不喟嘆一聲，既生摩爾，何生石墨烯！只能龜縮到更小的尺度上去限制人類的光刻技術和科技進步了。

石墨烯的困境

一些朋友可能會覺得很奇怪，石墨烯不是良導體，世界上電阻率最小的材料嗎，怎麼能製成半導體呢？這也正是科學家們最棘手的地方。石墨烯是由單層碳原子組成的六角型蜂巢晶格結構，也就是說是二維的，每個碳原子都會貢獻一個電子出來形成大π鍵，這些π鍵電子不再受單個碳原子的約束，可以在整個平面內自由移動，所以石墨烯具有良好的導電性。

而石墨烯的二維六角結構，又讓它形成了零能隙的狄拉克錐，導致電子和空穴的有效質量都等於零，從而可以完全隧穿，以更快的速度移動，電子遷移率超過15,000cm^2/V·s，遠遠超過了硅。而且石墨烯是目前世界上最薄最堅硬的納米材料，還柔韌耐彎曲，導熱係數也極高，具有良好的柵控特性，可以製成更小尺寸的元器件。

看看，石墨烯具有如此優異的光電性能，不用來做半導體真的是暴殄天物啊！但這個零能隙卻是一道邁不過去的天塹，過去20多年來，科學家們一直試圖改變這個能隙，把石墨烯解放出來做成高性能的半導體。一個辦法是量子限制，通過把石墨烯切割成納米尺度的條帶或點，利用量子效應來調節電子的能級；另一個辦法是化學修飾，通過在石墨烯表面引入不同的原子或分子來改變石墨烯的電子結構，但所有努力都無功而返，始終無法達到理想的效果。

零能隙的詛咒

這究竟是什麼原因呢？我們首先要搞懂能帶和能隙的概念，然後才能搞懂導體、半導體、絕緣體的本質區別，最後才能看到這項突破的重大意義。所謂能帶，就是晶體中大量原子週期性排列導致電子軌道重疊形成的連續分佈的能量區域。

打個可能不太恰當的比喻，能級就像我們太陽系的軌道，電子就像行星，內層的水星、金星、地球、火星處於低軌道，外層的海王星、天王星處於高軌道。如果我們周圍有很多太陽系，那麼所有水星的軌道就會形成一個能帶，金星、地球、火星、海王星的也是如此。這個比喻之所以說不太恰當，是因爲原子系統和太陽系的運行方式不是一碼事，不過殺豬殺屁股，各有各的殺法，希望這個比喻有助於讓更多朋友能理解這個概念。

固體材料中有多條能帶，就像無數個太陽系組成的“宇宙固體”，裏面也會有金星軌道、地球軌道、土星軌道等多條能帶，行星會最先佔據低能量軌道，電子也會最先佔據低能量能帶，再逐步佔領高能量能帶。內層的幾個星球很難脫離太陽系，因爲太陽的引力太強了，而外層的海王星、天王星，則有條件跳出去，成爲自由“星球”。

電子同樣如此，原子最外層的電子叫價電子，是參與化學鍵和化學反應的電子，這些電子佔據的能帶就稱爲價帶。價帶的嚴格定義，是固體在絕對零度下，電子所處的最高能量區域。由於是在最外層，如果給價帶上的電子一些能量，它就可能跳到更高能級的導帶中，這裏平常是沒有電子的，電子到了這裏就可以無拘無束，自由自在地移動形成電流，所以叫導帶。

這要放在由衆多太陽系構成的宇宙固體裏，就是我們把海王星、天王星給“打”出去，讓它們可以在“導帶”中自由移動，形成行星“電流”。

而在價帶和導帶之間，有一個電子無法存在的區域，禁止電子呆在那裏，所以叫禁帶，這個禁帶的寬度我們就稱爲能隙或帶隙。

在金屬中，這個能隙爲零，相當於只有一條理論上的界限，所以只要一通電，電子就興沖沖地跑到導帶，一窩蜂地往前衝形成電流。在絕緣體中，這個能隙很大，超過了3電子伏特，電子到這裏一看，媽呀，一望無涯，無邊無際，沒法過去，還是別跳了，回頭是岸吧，所以無法形成電流。

而在半導體中，能隙寬度約爲0到3電子伏特，一些電子活力大，蹦得高，一下子就跳過去，享受自由去了，一些電子腿腳不力，過不去，只好黯然神傷，老實呆在自己的原子核周圍。

這個就像美墨邊境線，奧巴馬時期是半導體，張弛有度，特朗普時期是絕緣體，禁止偷渡，拜登時期則變成了金屬，渴望自由的電子不費吹灰之力就能跑過去。

中美聯手大突破

前面說了，石墨烯的二維六角結構形成了狄拉克錐，能隙是零，所以是良好的導體，和金屬一樣導電，那麼科學家們究竟是怎樣改變能隙，讓它成爲半導體的呢？這項突破來自中國天津大學納米顆粒與納米系統國際研究中心馬雷教授和美國佐治亞理工學院物理學教授瓦爾特·德希爾領導的團隊。

德希爾教授從2001年就開始研究通過蒸發碳化硅晶圓生成二維石墨烯來製造電路，並在2006年就構建了一個全石墨烯平面場效應晶體管。2015年，他和馬雷教授共同成立了天津大學納米中心，設計建造了專門的外延石墨烯實驗室，與佐治亞理工學院的項目相互補充和協調，這項突破的主要工作就是在天津完成的。

研究人員的材料仍然是碳化硅晶圓，他們在真空中將晶片加熱，蒸發掉表面的硅，留下的富碳表面就結晶生成了多層石墨烯，其中附着在碳化硅表面的第一層，被稱爲緩衝層，是一種絕緣的外延石墨烯，與襯底的碳化硅表面部分地形成了共價鍵，表現出半導體的特徵，但由於它結構的無序，電子遷移率很低，也就是說無法成爲半導體。

研究人員開發出了一種準平衡退火的方法，通過嚴格控制生長環境溫度、時間及氣體流量，來確保外延石墨烯層與碳化硅襯底對齊，從而形成了高度有序的結構，具有良好的化學、機械和熱穩定性，可以利用傳統的半導體技術進行圖案化，並與半金屬外延石墨烯無縫連接，簡單來說，我理解就是可以用來製造芯片了。

根據科學家們的檢測，這種外延石墨烯具有0.6eV的帶隙，以及超過5000cm^2/V.s的室溫遷移率，比硅高出了10倍，比其他二維半導體高出20倍以上，優於目前所有二維晶體管至少一個數量級，而且這項工藝具有生長面積大、均勻性高、工藝流程簡單、成本低廉等優勢，可以說非常適用於納米電子學。

研究人員認爲，外延石墨烯可能會引起電子領域的範式轉變，導致利用其獨特性能的全新技術，並且這種材料允許利用電子的量子力學波特性，從而滿足量子計算的要求。這個沒有看到更多資料，我就不深說了，應該是在構建量子計算機方面也有潛力的意思吧。

所以看看，我們現在正處於摩爾定律可能即將失效的關鍵時刻，解決了石墨烯的能隙問題，就邁出了從0到1的關鍵一步，人類芯片也有望從硅基時代進入碳基時代，電子領域有望迎來一場根本性的巨大變革。

這項研究發表在2024年1月3日的《自然》雜誌上。