突破數十年技術障礙，科學家製出首個石墨烯半導體

被認為永遠無法勝任半導體工作的石墨烯取得突破，來自喬治亞理工學院科學家領導的國際團隊，成功創造出全球首個由石墨烯製成的功能性半導體。

幾乎所有現代電子產品元件都基於矽半導體，隨著開發進程越來越精細，我們已接近矽的能量效率極限，使用這種材料製造更快、更強大電腦變得越來越困難。

這促使物理學家尋找新的替代性半導體。

現在，由喬治亞理工學院領導的國際團隊開發出第一個極其堅固的功能性石墨烯半導體，電子遷移率是矽 10 倍，具有矽不具備的獨特性能。

石墨烯（graphene）又稱單層石墨，本身由碳原子以 sp2 混成軌域組成蜂巢晶格，是一種堅固且用途廣泛的平面薄膜材料，可承受極大電流且不會升溫或分解。

▲ 石墨烯結構

科學家投入開發石墨烯半導體已十多年，挑戰在於材料「能隙」特性──半導體或絕緣體價帶頂端至傳導帶底端的能量差距，允許電子在分子周圍移動，簡單來說，利用工程手法加以調整的能隙是控制半導體導電、不導電的重要電子特性。

可是自然形式下，石墨烯既不是半導體也不是金屬，而是半金屬，它沒有能隙，因此科學家無法對各元素設計「正確比例」的開關以控制石墨烯半導體，許多人也認為石墨烯電子裝置永遠無法運作。

直到現在透過精密感應爐幫助，一群研究人員成功克服石墨烯研究幾十年來最大障礙，製造出「外延」石墨烯：在晶體（此實驗為碳化矽）上生長另一層與晶體化學鍵合的物質，產生能隙開始表現出半導體特性，其電子遷移率比矽高 10 倍，或者說電子以極低阻力移動。

▲ 外延石墨烯可能改變電子領域，可利用其獨特特性開創全新技術。

石墨烯半導體效率更高，升溫幅度不大，能用來製造體積更小、速度更快的電子設備，也可能應用於量子運算，該團隊的樣品是目前唯一具備奈米電子學所有必要特性的二維半導體，其電學特性遠優於目前正在開發的任何二維半導體。

新論文發表在《自然》（Nature）期刊。

• Researchers Create First Functional Semiconductor Made From Graphene
• Graphene semiconductor steps toward ultra-fast computers

相關連結：https://technews.tw/2024/01/04/graphene-semiconductor-silicon-energy-gap/

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