《华尔街日报》：石墨烯研究揭示其在芯片应用中的新潜力

佐治亚理工学院物理学教授沃尔特·德赫尔在其实验室中手持石墨烯分子模型。图片来源：佐治亚理工学院科学家团队已证实，石墨烯——这种与普通铅笔芯相同的物质——可充当半导体，这为有朝一日将其转化为计算机芯片铺平了道路。

这项发表于上周《自然》科学期刊的研究，为石墨烯这种长期被研究的材料提供了替代当今芯片中最主流材料硅的可能性。

由美国佐治亚理工学院与中国天津大学研究人员共同取得的这一发现，正值全球半导体霸权争夺战白热化之际。各国正投入数百亿美元补贴支持本土制造计划，并推动产业界和科研界研发更强大芯片及硅的潜在替代材料——硅在某些领域已显露疲态。

过渡金属二硫属化物等替代或辅助硅的材料，已被科学家研究数十年。近年来，氮化镓和碳化硅等物质已应用于电动汽车动力芯片。

但硅材料短期内不会被取代的原因有很多。新型材料成本远高于硅，而将硅转化为芯片的工艺流程——由英特尔、台积电等企业在巨型晶圆厂中完成——已在精度、成本和生产效率方面臻于完善。“大规模生产仍是硅的绝对优势，“弗雷斯特公司副总裁兼研究总监格伦·奥唐奈表示。

石墨烯的应用前景在于，其单芯片可集成的晶体管数量远超硅芯片。这种由碳原子六边形晶格构成的二维材料质地轻盈柔韧，强度是钢材的数百倍，且具有极佳导电性。科学家已将其应用于可穿戴健康追踪器、气体传感器和网球拍等产品，IBM、苹果、萨博及洛克希德·马丁等公司均已申请或获得石墨烯相关专利。

但专家指出，石墨烯芯片面临巨大制造障碍，必须降低生产成本，预计实现商用仍需五到十年甚至更长时间。

透明容器中，石墨坩埚内的碳化硅芯片表面生长着石墨烯。图片来源：佐治亚理工学院芯片制造商过去尝试将石墨烯用于电子产品的努力大多未能成功，因为它缺乏"带隙”——这是承载可开关电流的关键特性。

由物理学教授沃尔特·德赫尔领导的佐治亚理工学院研究团队表示，他们已突破至少一个障碍，发现其实验室制造的石墨烯具有带隙并能作为半导体使用。德赫尔透露，该团队二十年来一直致力于此项研究，但鲜少获得私人研究者和资助者的关注。

在与天津大学研究人员的合作中（大部分实验工作在该校纳米颗粒与纳米系统中心主任马雷的指导下完成），团队通过在管内用感应线圈加热碳化硅晶圆，成功制备出单层石墨烯。德赫尔表示，研究人员需要找到温度、加热材料及元素的最佳"配方组合"才能实现这一成果。

德赫尔强调，该研究的核心目标是科学发现。他们专注于制备适合实验室测量设备的毫米级石墨烯样本，而非芯片制造所需的晶圆级尺寸。“若想实现大面积制备，必须攻克相关技术难题。“他说道。

高德纳公司新兴技术与趋势副总裁分析师高拉夫·古普塔指出，除尺寸问题外，石墨烯芯片化的核心挑战在于：如何以低成本将石墨烯与碳化硅（硅碳化合物）结合的同时保持高性能。

他表示，虽然碳化硅的制造工艺已经成熟，但目前尚不清楚如何在不降低良率的情况下将其与石墨烯结合。但如果能证明其优势显著，即使存在质量损失，也可能得到应用。

“假设石墨烯将经历与其他半导体新材料相同的周期，这可能会带来重大转变，“古普塔说。

由于石墨烯的晶体管特性已得到验证，它可能成为芯片制造商研发的重点。尽管分析师表示，主要制造商尚未将硅基替代材料列入发展路线图，但雄厚的资金实力是石墨烯进入商业领域的最低要求。

“对于任何研究成果，我们都不应过于兴奋，“Forrester的奥唐奈说。“从研究项目到生产并非胆小者所能胜任。”

联系作者贝勒·林，邮箱：[email protected]