芯片领域又有重大突破了，而且是颠覆性划时代的，但很多人可能都还没有意识到。这次是中美两国科学家联手，首次将石墨烯制成了半导体，这意味着芯片可能即将由硅基时代进入碳基时代，开启人类文明的新篇章。摩尔定律可能也不得不喟叹一声，既生摩尔，何生石墨烯！只能龟缩到更小的尺度上去限制人类的光刻技术和科技进步了。

石墨烯的困境

一些朋友可能会觉得很奇怪，石墨烯不是良导体，世界上电阻率最小的材料吗，怎么能制成半导体呢？这也正是科学家们最棘手的地方。石墨烯是由单层碳原子组成的六角型蜂巢晶格结构，也就是说是二维的，每个碳原子都会贡献一个电子出来形成大π键，这些π键电子不再受单个碳原子的约束，可以在整个平面内自由移动，所以石墨烯具有良好的导电性。

而石墨烯的二维六角结构，又让它形成了零能隙的狄拉克锥，导致电子和空穴的有效质量都等于零，从而可以完全隧穿，以更快的速度移动，电子迁移率超过15,000cm^2/V·s，远远超过了硅。而且石墨烯是目前世界上最薄最坚硬的纳米材料，还柔韧耐弯曲，导热系数也极高，具有良好的栅控特性，可以制成更小尺寸的元器件。

看看，石墨烯具有如此优异的光电性能，不用来做半导体真的是暴殄天物啊！但这个零能隙却是一道迈不过去的天堑，过去20多年来，科学家们一直试图改变这个能隙，把石墨烯解放出来做成高性能的半导体。一个办法是量子限制，通过把石墨烯切割成纳米尺度的条带或点，利用量子效应来调节电子的能级；另一个办法是化学修饰，通过在石墨烯表面引入不同的原子或分子来改变石墨烯的电子结构，但所有努力都无功而返，始终无法达到理想的效果。

零能隙的诅咒

这究竟是什么原因呢？我们首先要搞懂能带和能隙的概念，然后才能搞懂导体、半导体、绝缘体的本质区别，最后才能看到这项突破的重大意义。所谓能带，就是晶体中大量原子周期性排列导致电子轨道重叠形成的连续分布的能量区域。

打个可能不太恰当的比喻，能级就像我们太阳系的轨道，电子就像行星，内层的水星、金星、地球、火星处于低轨道，外层的海王星、天王星处于高轨道。如果我们周围有很多太阳系，那么所有水星的轨道就会形成一个能带，金星、地球、火星、海王星的也是如此。这个比喻之所以说不太恰当，是因为原子系统和太阳系的运行方式不是一码事，不过杀猪杀屁股，各有各的杀法，希望这个比喻有助于让更多朋友能理解这个概念。

固体材料中有多条能带，就像无数个太阳系组成的“宇宙固体”，里面也会有金星轨道、地球轨道、土星轨道等多条能带，行星会最先占据低能量轨道，电子也会最先占据低能量能带，再逐步占领高能量能带。内层的几个星球很难脱离太阳系，因为太阳的引力太强了，而外层的海王星、天王星，则有条件跳出去，成为自由“星球”。

电子同样如此，原子最外层的电子叫价电子，是参与化学键和化学反应的电子，这些电子占据的能带就称为价带。价带的严格定义，是固体在绝对零度下，电子所处的最高能量区域。由于是在最外层，如果给价带上的电子一些能量，它就可能跳到更高能级的导带中，这里平常是没有电子的，电子到了这里就可以无拘无束，自由自在地移动形成电流，所以叫导带。

这要放在由众多太阳系构成的宇宙固体里，就是我们把海王星、天王星给“打”出去，让它们可以在“导带”中自由移动，形成行星“电流”。

而在价带和导带之间，有一个电子无法存在的区域，禁止电子呆在那里，所以叫禁带，这个禁带的宽度我们就称为能隙或带隙。

在金属中，这个能隙为零，相当于只有一条理论上的界限，所以只要一通电，电子就兴冲冲地跑到导带，一窝蜂地往前冲形成电流。在绝缘体中，这个能隙很大，超过了3电子伏特，电子到这里一看，妈呀，一望无涯，无边无际，没法过去，还是别跳了，回头是岸吧，所以无法形成电流。

而在半导体中，能隙宽度约为0到3电子伏特，一些电子活力大，蹦得高，一下子就跳过去，享受自由去了，一些电子腿脚不力，过不去，只好黯然神伤，老实呆在自己的原子核周围。

这个就像美墨边境线，奥巴马时期是半导体，张弛有度，特朗普时期是绝缘体，禁止偷渡，拜登时期则变成了金属，渴望自由的电子不费吹灰之力就能跑过去。

中美联手大突破

前面说了，石墨烯的二维六角结构形成了狄拉克锥，能隙是零，所以是良好的导体，和金属一样导电，那么科学家们究竟是怎样改变能隙，让它成为半导体的呢？这项突破来自中国天津大学纳米颗粒与纳米系统国际研究中心马雷教授和美国佐治亚理工学院物理学教授瓦尔特·德希尔领导的团队。

德希尔教授从2001年就开始研究通过蒸发碳化硅晶圆生成二维石墨烯来制造电路，并在2006年就构建了一个全石墨烯平面场效应晶体管。2015年，他和马雷教授共同成立了天津大学纳米中心，设计建造了专门的外延石墨烯实验室，与佐治亚理工学院的项目相互补充和协调，这项突破的主要工作就是在天津完成的。

研究人员的材料仍然是碳化硅晶圆，他们在真空中将晶片加热，蒸发掉表面的硅，留下的富碳表面就结晶生成了多层石墨烯，其中附着在碳化硅表面的第一层，被称为缓冲层，是一种绝缘的外延石墨烯，与衬底的碳化硅表面部分地形成了共价键，表现出半导体的特征，但由于它结构的无序，电子迁移率很低，也就是说无法成为半导体。

研究人员开发出了一种准平衡退火的方法，通过严格控制生长环境温度、时间及气体流量，来确保外延石墨烯层与碳化硅衬底对齐，从而形成了高度有序的结构，具有良好的化学、机械和热稳定性，可以利用传统的半导体技术进行图案化，并与半金属外延石墨烯无缝连接，简单来说，我理解就是可以用来制造芯片了。

根据科学家们的检测，这种外延石墨烯具有0.6eV的带隙，以及超过5000cm^2/V.s的室温迁移率，比硅高出了10倍，比其他二维半导体高出20倍以上，优于目前所有二维晶体管至少一个数量级，而且这项工艺具有生长面积大、均匀性高、工艺流程简单、成本低廉等优势，可以说非常适用于纳米电子学。

研究人员认为，外延石墨烯可能会引起电子领域的范式转变，导致利用其独特性能的全新技术，并且这种材料允许利用电子的量子力学波特性，从而满足量子计算的要求。这个没有看到更多资料，我就不深说了，应该是在构建量子计算机方面也有潜力的意思吧。

所以看看，我们现在正处于摩尔定律可能即将失效的关键时刻，解决了石墨烯的能隙问题，就迈出了从0到1的关键一步，人类芯片也有望从硅基时代进入碳基时代，电子领域有望迎来一场根本性的巨大变革。

这项研究发表在2024年1月3日的《自然》杂志上。