碳基芯片看到了曙光 中韩科学家合作的新发现

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众所周知，随着半导体技术的不断发展，硅基芯片的制成工艺连续突破摩尔定律，已经发展到5纳米，而且正在朝着3纳米迈进。眼看着几乎到达了顶点，进入了死胡同，因此，各国的科学家们正在积极寻找突破口。研发新材料被认为是突破这一瓶颈的最好的办法。

石墨烯早就被科学家们所关注。它的硬度比钢铁更强，同时也更柔软透明；它的导电性比铜要好100倍以上。用它制成的半导体芯片容量更大、性能更好而且耗能更小。我国科学家在这方面的研究已经非常深入，走在了世界的前列。

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石墨烯是由6个碳(C)原子组成的六边形环连接在一起的平面结构物质（二维物质）。要想合成高质量的石墨烯，目前主要采用化学气相沉积法(CVD)。这是一种在铜等金属基板上生长石墨烯的方式，让原料气体（CH4）中的碳原子一个一个粘附在一起，最后‘生长’成为石墨烯，然后，再把它从基板上分离下来。问题是，在分离的过程中不仅石墨烯很容易受损，而且分离工艺本身就很难操作，实现工业化量产几乎不可能。

绝缘体基板（左）和金属基板（右）上的石墨烯在合成过程的差异 （图片来自网络）

还有一种办法，就是让石墨烯直接‘生长’在具有绝缘性能的电子元器件上面，这样就避免了“分离工艺”，操作起来简单易行。但是，石墨烯在绝缘体上的生长速度非常缓慢，甚至比在金属板上的生长速度慢1万倍。因此，也限制了石墨烯半导体的工业化量产，令科学家头痛不已。

蔚山科学技术院(UNIST)新材料工学系教授 冯丁（Feng Ding）（图片来自网络）

韩国基础科学研究院(IBS)多维碳材料研究团队的负责人冯丁（Feng Ding）教授（也是蔚山科学技术院(UNIST)新材料工学系教授）和中国北京大学组成的共同研究团队，通过高端计算机模拟研究，查明了其中的原因。
模拟显示，在绝缘体上生长的石墨烯是以沿着边缘粘附的方式生长， 这时候，原料中的氢就会来捣乱，和石墨烯粘在一起。所以，去除氢的过程耗时耗能，让石墨烯不能快速生长。而在金属板上生长时之所以没有出现这个问题，是因为原料可以在金属基板上面快速移动，所以石墨烯就生长迅速。

石墨烯在绝缘体基板（左）和金属基板（右）上的生长 （图片来自网络）

研究人员同时发现，在原料中有一种叫做“CH3”的物质，它不仅为石墨烯提供碳，还起到去除石墨烯边缘的氢的作用。在石墨烯的生长过程中，CH3含量高，石墨烯就生长得快，反之就生长得慢。

找到了原因，就给研发解决方案提供了依据，离最后的突破就只有一步之遥了。研究团队初步证实了低压高温热处理工艺的有效性。冯丁教授表示，如果激活能源消耗最多的阶段，即使在绝缘体基板上也能立即生长石墨烯。我们找到了可以简化利用石墨烯的半导体制造工艺的线索。

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不能不说这是一个令人期待的发现。如果能够研究出有效的解决方案，不仅困扰已久的半导体芯片的难题能够得到突破，我们的芯片制造也会实现‘弯道超车’。世人期待，国人期待。

本研究结果刊登在上个月22日的国际学术杂志《美国化学会纳米》（ACS Nano）上。

蔚山科学技术院(UNIST)新材料工学系教授 论文作者 邒睈(Ting Cheng) （图片来自网络）