Gần đây, một nhóm nghiên cứu từ Trung tâm nghiên cứu hạt nano và hệ thống nano quốc tế Thiên Tân thuộc Đại học Thiên Tân, cùng với các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Georgia ở Hoa Kỳ, đã vượt qua trở ngại lớn nhất gây khó khăn cho nghiên cứu graphene trong nhiều thập kỷ và tạo ra thành công vật liệu đầu tiên trên thế giới. Chất bán dẫn chức năng làm từ graphene đã mở ra cánh cửa mới cho sự phát triển của ngành bán dẫn vào thời điểm mà sự co rút của chất bán dẫn dựa trên silicon đang tiến đến giới hạn.
Thiết bị graphene phát triển trên nền cacbua silic do nhóm nghiên cứu chế tạo
Bài báo hiện tại liên quan đến nghiên cứu này, "Graphene epiticular bán dẫn siêu di động trên silicon cacbua" ("Graphene epiticular bán dẫn siêu di động trên silicon cacbua"), đã được xuất bản trên tạp chí Nature, và bài báo này là liên kết đầu tiên. các tác giả là Zhao Jian, Ji Peixuan, Li Yaqi và Li Rui. Các tác giả được ký kết khác chủ yếu đến từ nhóm nghiên cứu của Đại học Thiên Tân ở Trung Quốc, cũng như các nhà nghiên cứu do Walter de Heer, giáo sư tại Viện Công nghệ Georgia ở Hoa Kỳ.
Ảnh chụp màn hình
Điều này được hiểu rằng nghiên cứu về chất bán dẫn graphene này được dẫn dắt bởi một nhóm từ Đại học Thiên Tân chứ không phải do Walter DeHeer, giáo sư vật lý tại Viện Công nghệ Georgia, như một số phương tiện truyền thông nước ngoài đưa tin. Người hướng dẫn nhóm nghiên cứu là Ma Lei, chủ tịch giáo sư của Đại học Thiên Tân và giám đốc điều hành của Trung tâm nghiên cứu quốc tế về hạt nano và hệ thống nano Thiên Tân. Công việc nghiên cứu và giải quyết chính đã được nhóm Trung Quốc hoàn thành và Walter Deher đề xuất hướng nghiên cứu. .
Dữ liệu cho thấy graphene là một dạng thù hình của carbon. Các nguyên tử carbon được liên kết với sự lai hóa sp2 để tạo thành một lớp graphene mạng lục giác tổ ong. Nó chỉ có một nguyên tử siêu mỏng và là vật liệu hai chiều. , không chỉ mạnh mẽ và bền bỉ , nhưng cũng có thể chịu được dòng điện rất lớn mà không bị nóng lên hoặc phân hủy. Tất cả những đặc điểm này cho thấy graphene là vật liệu lý tưởng để chế tạo các linh kiện điện tử trong tương lai với tốc độ truyền nhanh hơn, kích thước nhỏ hơn và hiệu quả năng lượng cao hơn.
Tuy nhiên, graphene không phải là chất bán dẫn hay kim loại mà là một bán kim loại và không có "khoảng cách" thích hợp (sự chênh lệch năng lượng giữa điểm thấp nhất của dải dẫn và điểm cao nhất của dải hóa trị) để phản ứng trong tỷ lệ chính xác khi đặt một điện trường vào. Bật và tắt nó - đây là trở ngại lớn nhất cản trở nghiên cứu chất bán dẫn liên quan đến graphene. Do đó, vấn đề chính trong nghiên cứu điện tử graphene là làm thế nào để mở "khoảng cách dải" và hiện thực hóa các chức năng bật và tắt để nó có thể có đặc tính bán dẫn như silicon và do đó hoạt động được.
Trong hai thập kỷ qua, nhiều nhà nghiên cứu đã cố gắng mở "khoảng cách dải" của graphene bằng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng họ đã thất bại trong việc chế tạo các chất bán dẫn chức năng khả thi dựa trên graphene, điều này sẽ làm mất đi rất nhiều tính chất nội tại của vật liệu.
Về vấn đề này, nhóm nghiên cứu của Đại học Thiên Tân đã thu được các đặc tính bán dẫn bằng cách trồng graphene trên các tấm wafer cacbua silic, nghĩa là nuôi một lớp graphene trên tấm wafer cacbua silic và liên kết hóa học với cacbua silic.
Bản tóm tắt của bài báo viết: "Người ta biết rằng khi silicon bay hơi khỏi bề mặt của tinh thể cacbua silic, bề mặt giàu carbon sẽ kết tinh để tạo ra graphene đa lớp. Lớp graphene đầu tiên được hình thành trên bề mặt có đầu cuối silicon của cacbua silic. Lớp này có tính chất cách điện. epigraphene liên kết cộng hóa trị một phần với bề mặt cacbua silic. Các phép đo quang phổ của lớp đệm này cho thấy tín hiệu bán dẫn, nhưng vì nó bị rối loạn nên độ linh động của electron của lớp bị hạn chế. (tức là một lớp đệm có trật tự) trên nền phẳng nguyên tử vĩ mô. Mạng graphene bán dẫn được sắp xếp thẳng hàng với chất nền cacbua silic, có độ ổn định hóa học, cơ học và nhiệt, có thể được tạo khuôn bằng các kỹ thuật chế tạo chất bán dẫn thông thường và kết nối liền mạch với chất bán dẫn graphene. Những đặc tính cơ bản này làm cho graphene bán dẫn phù hợp với điện tử nano”.
Giáo sư Ma Lei cũng cho biết: "Vấn đề tồn tại từ lâu trong thiết bị điện tử graphene là làm thế nào để mở dải cấm trong khi vẫn duy trì đặc tính linh động cao của vật liệu graphene. Nghiên cứu của chúng tôi đã giải quyết được vấn đề này. Đây chính là hiện thực hóa graphene". hướng tới ứng dụng điện tử ene vào các sản phẩm điện tử.”
Nhưng để tạo ra các bóng bán dẫn graphene hoạt động được, vật liệu này phải được xử lý một cách rộng rãi, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của nó. Bởi vì graphene chỉ dày một nguyên tử nên tất cả các nguyên tử đều quan trọng và ngay cả những bất thường nhỏ trong cấu trúc cũng có thể phá vỡ các đặc tính của nó. Để chứng minh rằng nền tảng của họ hoạt động như một chất bán dẫn khả thi, nhóm nghiên cứu cần đo các đặc tính điện tử của nó mà không làm hỏng nó.
Theo các phép đo của nhóm nghiên cứu, chất bán dẫn graphene mà họ chế tạo trên cacbua silic có dải khe 0,6 eV và độ linh động của electron ở nhiệt độ phòng hơn 5.000 cm 2 V -1 s -1, gấp 10 lần so với silicon và cả Nó đã đạt gấp 20 lần so với các chất bán dẫn hai chiều khác. Nói cách khác, các electron có thể di chuyển với điện trở rất thấp, điều này trong điện tử có nghĩa là khả năng tính toán nhanh hơn. Hơn nữa, nhờ đặc tính hai chiều của bản thân graphene, hiệu suất tản nhiệt của nó tốt hơn và hiệu quả cao hơn. Chất bán dẫn graphene này hiện cũng là chất bán dẫn hai chiều duy nhất có tất cả các đặc tính cần thiết để sử dụng trong điện tử nano và các đặc tính điện của nó vượt trội hơn nhiều so với bất kỳ chất bán dẫn hai chiều nào khác hiện đang được phát triển.
Giáo sư Walter DeHeer nói: "Đối với tôi, điều này giống như khoảnh khắc của anh em nhà Wright. Giống như họ chế tạo một chiếc máy bay có thể bay cao 300 feet trong không khí. Nhưng những người hoài nghi hỏi, giờ đây thế giới đã có tàu cao tốc và tàu cao tốc, tàu thủy, tại sao bạn lại cần máy bay? Nhưng họ đã kiên trì và đó là sự khởi đầu của một công nghệ có thể đưa con người đi khắp thế giới".
Graphene epiticular có thể gây ra sự thay đổi mô hình trong thiết bị điện tử, cho phép các nhà nghiên cứu khai thác các đặc tính độc đáo của nó để nghiên cứu các công nghệ bán dẫn hoàn toàn mới. Đồng thời, phương pháp sản xuất chất bán dẫn graphene tương thích với các phương pháp sản xuất chất bán dẫn gốc silicon truyền thống, đây cũng là điều kiện cần để chất bán dẫn graphene thay thế chất bán dẫn gốc silicon.
Các nhà nghiên cứu viết trong bài báo của họ rằng công nghệ này "có tiềm năng đáng kể về khả năng thương mại trong tương lai".
Trong một cuộc phỏng vấn với China Business News, Ma Lei cũng cho biết nếu vật liệu này được đưa vào ứng dụng công nghiệp, giá thành của nó về cơ bản sẽ tương đương với các vật liệu sản xuất chất bán dẫn hiện có trên thị trường và hiệu suất của nó thậm chí còn vượt trội hơn.
Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được giải quyết trước khi chất bán dẫn graphene có thể được mở rộng thành chip điện toán.
Marley cho biết nhóm nghiên cứu đang nỗ lực làm cho vật liệu bán dẫn graphene phát triển trên chất nền cacbua silic kích thước lớn hơn.
Bài báo hiện tại liên quan đến nghiên cứu này, "Graphene epiticular bán dẫn siêu di động trên silicon cacbua" ("Graphene epiticular bán dẫn siêu di động trên silicon cacbua"), đã được xuất bản trên tạp chí Nature, và bài báo này là liên kết đầu tiên. các tác giả là Zhao Jian, Ji Peixuan, Li Yaqi và Li Rui. Các tác giả được ký kết khác chủ yếu đến từ nhóm nghiên cứu của Đại học Thiên Tân ở Trung Quốc, cũng như các nhà nghiên cứu do Walter de Heer, giáo sư tại Viện Công nghệ Georgia ở Hoa Kỳ.
Điều này được hiểu rằng nghiên cứu về chất bán dẫn graphene này được dẫn dắt bởi một nhóm từ Đại học Thiên Tân chứ không phải do Walter DeHeer, giáo sư vật lý tại Viện Công nghệ Georgia, như một số phương tiện truyền thông nước ngoài đưa tin. Người hướng dẫn nhóm nghiên cứu là Ma Lei, chủ tịch giáo sư của Đại học Thiên Tân và giám đốc điều hành của Trung tâm nghiên cứu quốc tế về hạt nano và hệ thống nano Thiên Tân. Công việc nghiên cứu và giải quyết chính đã được nhóm Trung Quốc hoàn thành và Walter Deher đề xuất hướng nghiên cứu. .
Dữ liệu cho thấy graphene là một dạng thù hình của carbon. Các nguyên tử carbon được liên kết với sự lai hóa sp2 để tạo thành một lớp graphene mạng lục giác tổ ong. Nó chỉ có một nguyên tử siêu mỏng và là vật liệu hai chiều. , không chỉ mạnh mẽ và bền bỉ , nhưng cũng có thể chịu được dòng điện rất lớn mà không bị nóng lên hoặc phân hủy. Tất cả những đặc điểm này cho thấy graphene là vật liệu lý tưởng để chế tạo các linh kiện điện tử trong tương lai với tốc độ truyền nhanh hơn, kích thước nhỏ hơn và hiệu quả năng lượng cao hơn.
Tuy nhiên, graphene không phải là chất bán dẫn hay kim loại mà là một bán kim loại và không có "khoảng cách" thích hợp (sự chênh lệch năng lượng giữa điểm thấp nhất của dải dẫn và điểm cao nhất của dải hóa trị) để phản ứng trong tỷ lệ chính xác khi đặt một điện trường vào. Bật và tắt nó - đây là trở ngại lớn nhất cản trở nghiên cứu chất bán dẫn liên quan đến graphene. Do đó, vấn đề chính trong nghiên cứu điện tử graphene là làm thế nào để mở "khoảng cách dải" và hiện thực hóa các chức năng bật và tắt để nó có thể có đặc tính bán dẫn như silicon và do đó hoạt động được.
Trong hai thập kỷ qua, nhiều nhà nghiên cứu đã cố gắng mở "khoảng cách dải" của graphene bằng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng họ đã thất bại trong việc chế tạo các chất bán dẫn chức năng khả thi dựa trên graphene, điều này sẽ làm mất đi rất nhiều tính chất nội tại của vật liệu.
Về vấn đề này, nhóm nghiên cứu của Đại học Thiên Tân đã thu được các đặc tính bán dẫn bằng cách trồng graphene trên các tấm wafer cacbua silic, nghĩa là nuôi một lớp graphene trên tấm wafer cacbua silic và liên kết hóa học với cacbua silic.
Bản tóm tắt của bài báo viết: "Người ta biết rằng khi silicon bay hơi khỏi bề mặt của tinh thể cacbua silic, bề mặt giàu carbon sẽ kết tinh để tạo ra graphene đa lớp. Lớp graphene đầu tiên được hình thành trên bề mặt có đầu cuối silicon của cacbua silic. Lớp này có tính chất cách điện. epigraphene liên kết cộng hóa trị một phần với bề mặt cacbua silic. Các phép đo quang phổ của lớp đệm này cho thấy tín hiệu bán dẫn, nhưng vì nó bị rối loạn nên độ linh động của electron của lớp bị hạn chế. (tức là một lớp đệm có trật tự) trên nền phẳng nguyên tử vĩ mô. Mạng graphene bán dẫn được sắp xếp thẳng hàng với chất nền cacbua silic, có độ ổn định hóa học, cơ học và nhiệt, có thể được tạo khuôn bằng các kỹ thuật chế tạo chất bán dẫn thông thường và kết nối liền mạch với chất bán dẫn graphene. Những đặc tính cơ bản này làm cho graphene bán dẫn phù hợp với điện tử nano”.
Giáo sư Ma Lei cũng cho biết: "Vấn đề tồn tại từ lâu trong thiết bị điện tử graphene là làm thế nào để mở dải cấm trong khi vẫn duy trì đặc tính linh động cao của vật liệu graphene. Nghiên cứu của chúng tôi đã giải quyết được vấn đề này. Đây chính là hiện thực hóa graphene". hướng tới ứng dụng điện tử ene vào các sản phẩm điện tử.”
Nhưng để tạo ra các bóng bán dẫn graphene hoạt động được, vật liệu này phải được xử lý một cách rộng rãi, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của nó. Bởi vì graphene chỉ dày một nguyên tử nên tất cả các nguyên tử đều quan trọng và ngay cả những bất thường nhỏ trong cấu trúc cũng có thể phá vỡ các đặc tính của nó. Để chứng minh rằng nền tảng của họ hoạt động như một chất bán dẫn khả thi, nhóm nghiên cứu cần đo các đặc tính điện tử của nó mà không làm hỏng nó.
Theo các phép đo của nhóm nghiên cứu, chất bán dẫn graphene mà họ chế tạo trên cacbua silic có dải khe 0,6 eV và độ linh động của electron ở nhiệt độ phòng hơn 5.000 cm 2 V -1 s -1, gấp 10 lần so với silicon và cả Nó đã đạt gấp 20 lần so với các chất bán dẫn hai chiều khác. Nói cách khác, các electron có thể di chuyển với điện trở rất thấp, điều này trong điện tử có nghĩa là khả năng tính toán nhanh hơn. Hơn nữa, nhờ đặc tính hai chiều của bản thân graphene, hiệu suất tản nhiệt của nó tốt hơn và hiệu quả cao hơn. Chất bán dẫn graphene này hiện cũng là chất bán dẫn hai chiều duy nhất có tất cả các đặc tính cần thiết để sử dụng trong điện tử nano và các đặc tính điện của nó vượt trội hơn nhiều so với bất kỳ chất bán dẫn hai chiều nào khác hiện đang được phát triển.
Giáo sư Walter DeHeer nói: "Đối với tôi, điều này giống như khoảnh khắc của anh em nhà Wright. Giống như họ chế tạo một chiếc máy bay có thể bay cao 300 feet trong không khí. Nhưng những người hoài nghi hỏi, giờ đây thế giới đã có tàu cao tốc và tàu cao tốc, tàu thủy, tại sao bạn lại cần máy bay? Nhưng họ đã kiên trì và đó là sự khởi đầu của một công nghệ có thể đưa con người đi khắp thế giới".
Graphene epiticular có thể gây ra sự thay đổi mô hình trong thiết bị điện tử, cho phép các nhà nghiên cứu khai thác các đặc tính độc đáo của nó để nghiên cứu các công nghệ bán dẫn hoàn toàn mới. Đồng thời, phương pháp sản xuất chất bán dẫn graphene tương thích với các phương pháp sản xuất chất bán dẫn gốc silicon truyền thống, đây cũng là điều kiện cần để chất bán dẫn graphene thay thế chất bán dẫn gốc silicon.
Các nhà nghiên cứu viết trong bài báo của họ rằng công nghệ này "có tiềm năng đáng kể về khả năng thương mại trong tương lai".
Trong một cuộc phỏng vấn với China Business News, Ma Lei cũng cho biết nếu vật liệu này được đưa vào ứng dụng công nghiệp, giá thành của nó về cơ bản sẽ tương đương với các vật liệu sản xuất chất bán dẫn hiện có trên thị trường và hiệu suất của nó thậm chí còn vượt trội hơn.
Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được giải quyết trước khi chất bán dẫn graphene có thể được mở rộng thành chip điện toán.
Marley cho biết nhóm nghiên cứu đang nỗ lực làm cho vật liệu bán dẫn graphene phát triển trên chất nền cacbua silic kích thước lớn hơn.
