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前言：之前为大家介绍了碳单质的几种形式，其中说到石墨烯引起了科学家们的广泛兴趣。今天，小墨就带大家进一步了解石墨烯和他的二维材料家族，以及它们在电子学方面的应用前瞻。 撰文 | 林梅 硅基半导体时代 我们处在一个用硅构建的时代——我们手上拿的手机、办公用的电脑、家里的家用电器、马路上奔跑的汽车，没有哪一样离得开精密而集成化的半导体电路。而如今小巧的低功耗的半导体晶体管电路之所以能全面取代传统的、蠢笨的、高功耗的电子管，就是得益于硅这个材料的电子学性质。 1947年，美国贝尔实验室肖克利、巴丁、布拉顿组成的研究小组发现硅可以做成一个电子学开关，三年后，第一只“PN结型晶体管”诞生，微电子学拉开序幕。之后的几十年，越来越集成的微电子技术彻底改变了人们生活的面貌。  图1 William Shockley (中), John Bardeen（左）, and Walter Brattain（右）, 1948. 图片来源： AT&T Archives and History Center  图2 第一个点接触型的锗晶体管 图片来源：wordpress 那么，这些半导体是怎样施展魔法的呢？ 所谓半导体，就是说他的性质介于导体和绝缘体之间，随着外界条件（比如电压）的变化，可以变身导体或绝缘体。如果电路里有个小薄层是这样的半导体，那么我们就可以控制这个电路的开和关，也就是对应逻辑上的0和1。 大家一定记得大学时候学过的各种半导体器件，什么P型半导体、N型半导体、PN结、场效应管等等。无非都是利用半导体材料的性质制成各种器件，只要我们控制电压等一些外部条件，就可以控制电路的电流等各种电学状态，最终实现各种逻辑运算。 上世纪六十年代前后，两家公司几乎同时制造出了集成电路——一个芯片上集合很多个电子开关，完成复杂的计算功能。从此，人类在集成电路的道路上一发不可收拾，人们希望在同样大小、同样功耗的情况下，完成尽可能强大的计算，这种野心和期待集中体现在1961年的Moore定律——每过十八个月，芯片密度和就会增加一倍，如果这种趋势继续下去，将是一个激动人心的指数增长。  图3 第一个集成电路 图片来源：wordpress Moore定律失效？ 可是，人类一得意，上帝就发笑。在芯片集成的道路上，人们渐渐意识到极限的存在。 目前大规模集成电路都是以金属-氧化物-半导体（metal oxide semiconductor,MOS）晶体管为主要有源器件构成的。一个增强型MOS场效应晶体管靠调节栅极和源极间的电压来控制沟道区电导率，进而控制漏极电流的开和关。但是，随着器件越做越小，情况变得不可控起来——沟道区长度与厚度比过小的话，电流很容易从沟道区远离门电极的部分漏过去，漏极电流的开和关不再被有效控制。 所以，人们特别想找到一些材料，既能越来越薄，甚至薄到原子级别，又能很好的保持半导体性质。这个时候，二维材料粉墨登场。 二维材料的电子能带结构和三维的母体材料往往有很大不同，里面的电子可能具有新的物理规律，按照新的能级运动，并且由于薄层的缘故，原子都暴露于表面，往往更容易被调控。 石墨烯是一个典型的二维材料，厚度在原子级别，那么它有没有什么好的类似场效应管的性质可以为我们所用呢？我们来了解一下它。 石墨烯场效应管 首先，石墨烯有一个非常棒的特性——电子高迁移率。我们知道，载流子的迁移率对于输运效果有直接的影响，高迁移率意味着载流子有更快的扩散速度，也就对应更好的导电性、更快的响应频率、更小的能量损耗。实验表明，现在晶体管主要材料硅的迁移率大约在1400cm²／(V·s),而石墨烯中电子的迁移率要比它高出至少一个数量级。更难能可贵的是，石墨烯的电子迁移率几乎不怎么随温度变化。 最神奇的是，石墨烯中的电子，即使遇到势垒（比如能量抬升较高的电压），也可以变身为反粒子，毫无障碍地100%隧穿过去。利用这个性质，人们可以调整电压，分分钟将n型掺杂石墨烯变成p型掺杂石墨烯。 但是，石墨烯之所以还没有被大规模应用到半导体技术，是因为制约石墨烯成为一个场效应管有一个最大瓶颈——它的带隙问题。这是什么意思呢？ 对于传统的半导体材料，控制导电与否，靠的是导带和价带之间带隙的存在。半导体材料里，导带和价带都对应电子的能量空间，电子在导带和价带中都可以自由运动，能导电；但导带和价带之间存在一个能量间隔——带隙，电子的能量在带隙中时，是没法自由运动的。通过控制半导体中电子的能量（通常用门电极来实现），就可以实现半导体的开关。 但是，石墨烯是一个零带隙的半导体，价带和导带是相交的，不存在分开两种能带的带隙，所以石墨烯制成的器件沟道无法实现有效的开关控制，很多人因此认为，它不适合逻辑电路的应用。 当然，人们在这方面没有放弃过努力，人们深入研究了石墨烯的电子结构，发现打开它的带隙不是没有可能的。比如，制造石墨烯纳米带、双层石墨烯加偏压、对石墨烯进行掺杂、施加压力，都是可能实现的手段。 继2004年石墨烯的场效应被报道之后，很快，在2007年，第一个顶栅结构的双层石墨烯场效应管也被报道。这是一个石墨烯晶体管发展的里程碑，遗憾的是，这样能打开的能隙太小，开关效果很难达到实际需要。 石墨烯的姐妹们 虽然石墨烯的带隙表现不尽如人意，但是它给了人们很大的启发——既然二维材料与母体三维材料可能具有完全不同的电学性质，那么其他的二维材料有没有适合制作半导体器件的呢？ 科学家发现，一些二维的硫化物、金属氧化物都可能具有这样的前景。 比如，在2010 年，MoS2 进入了科学家的视野。人们发现，单层的MoS2 具有1.8 eV的直接带隙，一年后，高质量的单层MoS2场效应管也首次被制备了出来，开关比达到10E8（传统具有实际应用价值的硅MOSFET开关比大约在10E4~10E7），但是迁移率偏低，只有大概100cm²／(V·s)。  |
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