美国IBM公司T·J·沃森研究中心的科学家，最近攻克了在利用石墨构建纳米电路方面最令人困扰的难题，即通过将两层石墨烯片叠加，可以将元器件的电噪声降低10倍，由此可以大幅改善晶体管的性能，这将有助于制造出比硅晶体管速度快、体积小、能耗低的石墨烯晶体管。有关研究结果发表在最新一期的《纳米快报》（Nano Letters）上。

 

 

石墨烯是英国曼彻斯特大学研究员安德烈·杰姆于2004年发现的一种全新的超薄材料，它只有一个原子那么厚，大约为0.35纳米，肉眼根本看不见，把20万个片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。石墨烯是由碳原子构成的蜂窝状的二维晶体，碳原子排列与石墨的单原子层一样完美，可以说是原子尺寸的铁丝网。

 

石墨烯迅速成为材料科学和凝聚态物理学中最热门的研究课题之一，因为在石墨烯中的电子能以光的速度进行移动，电子可不通过散射而进行亚微细距离移动，这种特性对于制造需要快速转换的晶体管很重要。为了使计算机芯片更加强大，速度更快，工程师们一直在追求生产更小的晶体管，以减短电子驱动机器开关时需要移动的距离。最终，科学家得出了以一个分子来制作一个晶体管的设想。而杰姆教授的工作为他们将设想转化为现实带来了希望。

 

由于石墨烯晶体管比今天最小的计算机芯片还要小许多倍，用于开启和关闭的电压非常低，所以速度更快，耗能也更低，被视为硅晶体管的接班人。

 

 

但是，在对这种纳米尺寸的电子元器件进行实际研究时，科学家们遇到了一个难以克服的难题：随着电子元器件的尺寸越来越小，电噪声——电荷在材料中反弹导致各种各样的干涉，从而阻碍了其应用——会变得越来越大，也就是说，电子元器件的尺寸和其产生的无法控制的电噪声的大小成反比，这种关系被称为“豪格规则”。无论是在基于传统的硅片，还是在基于纳米碳管或石墨烯纳米带的电子元器件中，这一现象都存在。

 

费顿·埃沃瑞斯博士一直领导着IBM研究中心的碳纳米管和石墨烯研究，他介绍说，在纳米尺寸上，电噪声更加被放大。因为元件尺寸已接近最小极限——小至只有几个原子那么长，由此产生的噪声甚至超过了想要获得的电信号。引用著名物理学家罗尔夫·兰多尔的话就是，在纳米尺寸上“噪声就是信号”。换句话说，如果噪声与你要关闭或开启的信号不相上下，你就不可能制造出任何实用的纳米尺寸的元器件。

 

 

IBM的研究人员在起初的试验中，采用的是单层石墨烯来构建晶体管，不出意料之外，他们再次验证了豪格规则：尺寸越小，噪声越强。

 

但是当他们尝试用一层叠加在另一层上面的双层石墨烯来构建晶体管时，他们惊奇地发现，噪声不但被抑制，而且变得很弱，大约降低了10倍。这是因为两层石墨烯之间产生了很强的电子耦合作用，由此抵消了噪声的影响，这个双层系统的作用就好像是个噪声绝缘体。

 

这是科学家第一次找到抑制基于石墨烯的元器件噪声的方法，双层石墨烯为研制新的实用半导体器件带来了希望。研究人员表示，半导体技术已经从毫米级晶体管发展到目前的10纳米级微处理器，下一步就将是真正的纳米级电路。

 

虽然降低噪声是石墨烯晶体管研制过程中迈出的重要一步，但科学家表示，这离其商品化生产还甚遥远，还有不少难题要克服。比如说，他们还必须找到能够大量生产高性能石墨烯晶体管的方法。基于石墨烯的电路可能要到2025年之后才会出现，在此之前硅电路还会占据主导地位。但前景是乐观的，因为对石墨烯片的边缘尺码基本没有限制。

 

仅仅在10年前，碳纳米管的长度还不足1微米。现在，科学家已经可以制造出长几厘米的纳米管。可以预见，同样的结果也会出现在石墨烯的应用上。（来源：科技日报 李学华）

 

（《纳米快报》（Nano Letters），10.1021/nl080241l，Yu-Ming Lin and Phaedon Avouris）