石墨烯器件生長(zhǎng)在碳化硅襯底芯片上。圖片來(lái)源：佐治亞理工學(xué)院

科技日?qǐng)?bào)北京12月22日電 (記者張夢(mèng)然)納米電子學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)緊迫任務(wù)是尋找一種可替代硅的材料。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院研究人員開發(fā)了一種新的基于石墨烯的納米電子學(xué)平臺(tái)——單片碳原子。發(fā)表在《自然·通訊》雜志上的該技術(shù)可以與傳統(tǒng)的微電子制造兼容，有助于制造出更小、更快、更高效和更可持續(xù)的計(jì)算機(jī)芯片，并對(duì)量子和高性能計(jì)算具有潛在影響。

研究人員稱，石墨烯的力量在于其平坦的二維結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由已知最強(qiáng)的化學(xué)鍵結(jié)合在一起。相較于硅，石墨烯可微型化的程度更深、能以更高的速度運(yùn)行并產(chǎn)生更少的熱量。原則上，單一的石墨烯芯片要比硅芯片內(nèi)可封裝更多器件。

為了創(chuàng)建新的納米電子學(xué)平臺(tái)，研究人員在碳化硅晶體基板上創(chuàng)建了一種改良形式的外延石墨烯，用電子級(jí)碳化硅晶體生產(chǎn)了獨(dú)特的碳化硅芯片。

研究人員使用電子束光刻來(lái)雕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)并將其邊緣焊接到碳化硅芯片上。這個(gè)過(guò)程機(jī)械地穩(wěn)定和密封石墨烯的邊緣，否則它會(huì)與氧氣和其他可能干擾電荷沿邊緣運(yùn)動(dòng)的氣體發(fā)生反應(yīng)。

最后，為了測(cè)量石墨烯平臺(tái)的電子特性，研究團(tuán)隊(duì)使用了一種低溫設(shè)備，使他們能夠記錄從接近零攝氏度到室溫下的特性。

團(tuán)隊(duì)在石墨烯邊緣態(tài)觀察到的電荷類似于光纖中的光子，可在不散射的情況下傳播很遠(yuǎn)的距離。他們發(fā)現(xiàn)電荷在散射前沿著邊緣移動(dòng)了數(shù)萬(wàn)納米。而先前技術(shù)中的石墨烯電子在撞到小缺陷并向不同方向散射之前，只能行進(jìn)約10納米。

在金屬中，電流由帶負(fù)電的電子攜帶。但與研究人員的預(yù)期相反，他們的測(cè)量表明邊緣電流不是由電子或空穴攜帶的，而是由一種不同尋常的準(zhǔn)粒子攜帶的，這種準(zhǔn)粒子既沒有電荷也沒有能量，但運(yùn)動(dòng)時(shí)沒有阻力。盡管是單個(gè)物體，但觀察到混合準(zhǔn)粒子的成分在石墨烯邊緣的相對(duì)側(cè)移動(dòng)。

團(tuán)隊(duì)表示，其獨(dú)特的性質(zhì)表明，準(zhǔn)粒子可能是物理學(xué)家?guī)资陙?lái)一直希望利用的粒子——馬約拉納費(fèi)米子。

【總編輯圈點(diǎn)】

人們擁有第一個(gè)基于石墨烯的電子產(chǎn)品可能還需要5—10年的時(shí)間，但在無(wú)縫互連的石墨烯網(wǎng)絡(luò)中，使用文中這種新的準(zhǔn)粒子開發(fā)電子產(chǎn)品指日可待。而新外延石墨烯平臺(tái)的出現(xiàn)，比以往任何時(shí)候都更接近于將石墨烯“加冕”為硅的繼任者?？梢哉f(shuō)，在此基礎(chǔ)上，下一代電子產(chǎn)品不但大有可為，還將改變整個(gè)“游戲規(guī)則”。