【正文】 2 石墨烯同其他同位素異形體之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 [2] 石墨烯是典型的零帶隙的半導(dǎo)體，通過 sp2雜化形成平面六元環(huán)結(jié)構(gòu)，π電子在同一平面上形成離域大 π 鍵。這種獨特的結(jié)構(gòu)使石墨烯具有獨一無二的性質(zhì)，作為世界上最薄的納米材料，石墨烯幾乎是完全透明的，只 吸收 % 的光，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到 5300W/mK，比金剛石和碳納米管更高，室溫下電子遷移率達(dá)到光速的 1/300，電阻率只有 106Ωcm，比銅和銀電阻率更低，是世界上電阻率最小的材料，卻有超高的力學(xué)性能，達(dá)到 1060GPa，被證明為當(dāng)代最牢固的材料，比最好的鋼都要堅硬 100 倍 。 2021 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 表 1 石墨烯與其他材料性質(zhì)比較 材料 熱導(dǎo)率(W/cmK) 電子遷移率(cm2/Vs) 飽和電子漂移速度( 107cm/s) Si 1200 InP 4600 SiC 600 GaN 1500 Graphene 50 202100 10 石墨烯國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2021 年英國曼徹斯特大學(xué)的 安德烈 K海姆 課題組首次找到一種把石墨層粘貼在透明膠上，然后反復(fù)數(shù)次把石墨與膠帶分開，最后得到石墨烯（石墨單層）的方法，并制作出了 世界最小晶體管 ，由此 獲得了 2021 年諾貝爾物理 學(xué) 獎。 由于石墨烯嚴(yán)格的二維結(jié)構(gòu)，它蘊涵著許多新的物理以及潛在應(yīng)用，因此它成為目前科學(xué)研究的熱點之一。 自 2021年 員 [3]首次制備出石墨烯以來，石墨烯受到全世界科學(xué)家的廣泛關(guān)注，下圖表示出了近幾年石墨烯的文章 SCI 收錄情況，以每年翻番的速度增長。 圖 3 近幾年石墨烯的文章 SCI 收錄情況 [4] 早在 1999 年， Lu[5]等就用氧等離子刻蝕，在以 SiO2為基底的高定向熱裂解石墨上 2021 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 刻蝕出了厚度約為 200nm 的石墨層。 Liu[6]等 首次報道了用水合聯(lián)氨還原聚苯胺插層氧化石墨化合物，還原后化合物的導(dǎo)電性增加了 1 個數(shù)量級。 2021 年 Srivastava[7]等采用微波增強化學(xué)氣相沉積法，在 Ni 包裹的 Si 襯底上生長出了 20nm 左右厚度的“花瓣狀”的石墨片，并研究了微波功率大小對石墨片形貌的影響。 2021 年 Niyogi 等 [7]研究了用十八胺對氧化石墨表面進(jìn)行改性，制得長鏈烷基改性石墨。 Li 等 [8]在 Stankovich 等研究的基礎(chǔ)上，利用還原氧化石墨的方法在沒有任何化學(xué)穩(wěn)定劑的情況下，通過控制石墨層間的靜電力，制備出了在水中穩(wěn)定分散的石墨烯溶液。 2021 年， Zhu 等 [9]通過調(diào)整合成碳納米管的參數(shù)，在沒有催化劑的情況下用電感耦合頻射等離子體化學(xué)氣相沉積法在多種襯底上生長出了納米石墨微片。這種納米薄膜垂直生長在襯底上，類似于 Srivastava等的“花瓣狀”納米片。 2021 年， Heer 等 [10]首次將 SiC 置于高真空， 1300℃下，使 SiC 薄膜中的 Si 原子蒸發(fā)出來，生成連續(xù)的二維石墨烯薄膜。這種方法制備出來的二維石墨烯薄膜厚度僅為 12碳原子層。 2021 年， Konstantin V. Emtsev 等人 在 Ar 氣保護氛圍下將 SiC 進(jìn)行高溫退火，相對Heer 等真空退火的方法，制得的石墨烯薄膜的均勻性及質(zhì)量都大大改善。 許多發(fā)達(dá)國家都對石墨烯的研究投入了大量的人力和財力。美國近年來對石墨烯的經(jīng)費投入非常巨大，大大推動了他們在該方面的科學(xué) 進(jìn)展。在匹茲堡舉行的美國物理學(xué)會年會上，石墨烯是科學(xué)家們談?wù)摰闹饕掝}。研究人員用場討論分會探討有關(guān)這種材料的問題。 韓國科學(xué) 家 [11]在制備大尺寸、高質(zhì)量的石墨烯薄膜方面取得了突破性進(jìn)展。根據(jù)《 Nature》報道，韓國研究人員近日發(fā)現(xiàn)了一種制備大尺寸石墨烯薄膜的方法。這種石墨烯薄膜不僅具備高硬度和高拉伸強度，其電學(xué)特性也是現(xiàn)有材料中最好的，這些單原子層厚的碳薄片是非常有前途的材料?？上н@種材料是在金屬襯底上制備的，不適合做微波高頻器件。 2021 年，美國賓夕法尼亞大學(xué) [10]研制出 100mm 直徑的石墨烯晶 片。 2021 年初，美國普渡大學(xué) [9]研制出 SiC 上石墨烯材料的遷移率為 18700cm2V1s1。 2021 年 3 月 ， IBM 沃森研究中心的科學(xué)家 [12]在世界上率先制成 了基于 SiC 襯底的低噪聲石墨烯晶體管。普通的納米器件隨著尺寸的減小，被稱做 1/f 的噪音會越來越明顯，使器件信噪比惡化。這種現(xiàn)象就是 “豪格規(guī)則 (Hooge39。s law)，石墨烯、碳納米管以及硅材料都會產(chǎn)生該現(xiàn)象。因此，如何減小 1/f 噪聲成為實現(xiàn)納米元件的關(guān)鍵問題之一。 2021 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 IBM 通過重疊兩層石墨烯，試制成功了晶體管。由于兩層石墨烯之間生成了強電子結(jié) 合，從而控制了 1/f 噪音 ， 如圖 4 所示。 圖 4 IBM采用雙層石墨烯結(jié)構(gòu)降低器件噪聲 [12] 2021 年 6 月底 ， 日本東北大學(xué)電通信所 末光真希 教授 [13]將 SiC 在真空條件下加熱至 1000 多度，除去硅而余下碳 ， 通過自組形式形成單層 石墨烯 。末光教授的團隊 通過控制 SiC 形成時的結(jié)晶方向和 Si 襯底切割的結(jié)晶方向，得到 了 100150 平方微米面積的兩層石墨膜，其晶格畸變率僅為 %。其他科研團隊利用傳統(tǒng)方法的晶格畸變率為20%，因而不能制成可實際應(yīng)用的器件。 2021 年 5 月， HRL 實驗室宣稱在高質(zhì)量 2 英寸石墨烯 薄膜及其射頻場效應(yīng)晶體管方面取得 了 突破 。 HRL 資深科學(xué)家 JeongSun Moon[12]表示，該器件擁有全球 最高 的場遷移率，約 6000cm2/Vs，是現(xiàn)階段最先進(jìn)硅基 nMOSFET 的 68 倍。他們使用 Aixtron的 VP508 CVD 反應(yīng)設(shè)備，通過從 6HSiC 晶體中升華硅的方法，成功制成了石墨烯薄膜。之后使用標(biāo)準(zhǔn)的光刻膠工藝和氧反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備了晶體管。源極和漏極接觸是鈦、鉑和金的合金，使用原子層沉積技術(shù)制備 20nm 厚的氧化鋁柵電介質(zhì)，事實上這樣做捕獲了界面電荷，可能會導(dǎo)致器件性能下降。 2021 年，意大利的科研人員成功地用石墨烯制造了首枚包含兩個晶體管的集成電路，它擁有簡單的計算能力，標(biāo)制著碳基電子學(xué)時代的到來。這枚只有兩個晶體管的集成電路雖然很小，卻是向制造碳基高性能電子器件邁出的重要一步。 在 2021 年 2 月出版的《 Science》雜志上， IBM 的研究人員 [12]展示了一種由 SiC 單晶襯底上生長石墨烯材料制作而成的場效應(yīng)晶體管（ FET），其截止頻率可達(dá) 100 GHz，這是運行速度最快的射頻石墨烯晶體管 [14]。這一成就是美國國防部高級研究計劃局(DARPA)“碳電子射頻應(yīng)用項目” (CERA)取得的重大進(jìn)展，為研發(fā)下一代通信設(shè)備鋪 2021 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 平了道路。研究人員通過使用與現(xiàn)行的先進(jìn)硅器件制造技術(shù)相兼容的加工技術(shù)制成了晶圓規(guī)模、外延生長的石墨烯，從而達(dá)成了此高頻記錄。 2021 年 6 月，石墨烯 FET 突破上次記錄。來自 IBM 公司的 、 林育明等 [12]人運用 SiC 高溫升華法，把 2 英寸 4HSiC Si 面襯底在 1450℃下高溫退火，制得大部分由單層石墨烯覆蓋的 2 英寸片。經(jīng)氧等離子體刻蝕形成溝道區(qū)，熱蒸發(fā)源漏金屬電極， ALD 方法制備柵電介質(zhì)，最終制備出柵長為 90nm，截止頻率 fT 達(dá)到 170GHz 的 FET器件。 科學(xué)家們認(rèn)為，這項突破可能預(yù)示著，未來可用石墨烯圓片來替代硅晶片，相關(guān)研究發(fā)表在最新一期《 Science》雜志上。該集成電路建立在一塊 SiC 上，并且由一些石墨烯場效應(yīng)晶體管組成。去年， IBM 公司 托馬斯沃森研究中心 科學(xué)家林育明 [14]領(lǐng)導(dǎo)的團隊展示了首塊基于石墨烯的晶體管，其能在 100 GHz 的頻率上運行，但這次，該團隊將其整合進(jìn)一塊完整的集成電路中。按照美國電氣與電子工程師學(xué)會（ IEEE）出版的《 IEEE波普》雜志的解釋，這塊集成電路是一個寬頻無線電頻率混頻器，該集成電路通過找出兩個輸入頻率的和 與差來輸出新的無線電信號。科學(xué)家們表示，最新的石墨烯集成電路混頻最多可達(dá) 10GHz，而且其可以承受 125℃的高溫。 正如 IBM 公司負(fù)責(zé)科研的副總裁 陳自強 博士 [14]表示，石墨烯的一大優(yōu)勢在于其中的 電子可實現(xiàn)極高速的傳輸，這對于下一代高速、高性能晶體管的研發(fā)來說是至關(guān)重要的。上述一系列技術(shù)突破清楚地表明了石墨烯在高性能器件和集成電路方面的巨大應(yīng)用前景。 我國的相關(guān)科研單位如中科院、中國電科及部分高等院校也積極開展了石墨烯的研究，包括石墨烯的理論研究、材料制備、測試以及器件制作等。 中科院物理研究所 王恩哥 [15]等采用剝離 再嵌入 擴張的方法成功地制備了高質(zhì)量石墨烯。電學(xué)測量表明，所制備的石墨烯在室溫和低溫下都具有高的電導(dǎo)，比通常用還原氧化石墨方法獲得的石墨烯的電導(dǎo)高 2 個數(shù)量級。中國科學(xué)院化學(xué)所的研究人員 [15]探索了一種以圖案化的金屬層作為催化劑制備圖案化石墨烯的方法，并成功地將其應(yīng)用于有機場效應(yīng)晶體管。研究結(jié)果表明，石墨烯是一種性能優(yōu)異的有機場效應(yīng)晶體管電極材料。低的載流子注入勢壘和良好的電極半導(dǎo)體接觸是器件具有高性能的主要原因。這一研究進(jìn)展為有機場效應(yīng)晶體管和石墨烯的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。 中科院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院明平兵研究員及合作者劉芳、李巨 [15]的計算結(jié)果預(yù)測了石墨烯的理想強度