石墨烯功能半導體首發
更小更快可用于量子計算
石墨烯是由已知最強的鍵連接配接在一起的單層碳原子。半導體是在特定條件下導電的材料，是電子裝置的基本部件。目前，為滿足越來越快的計算速度和越來越小的電子裝置的需求，現代電子産品常用材料—矽，已經達到了極限。為此，中國天津大學和美國喬治亞理工學院的研究人員用石墨烯制成了世界上第一個功能性半導體。這種半導體與傳統的微電子加工方法相容，這也是替代矽的必要條件。
研究人員早期就開始探索碳基材料的半導體潛力，2001年轉向石墨烯研究。石墨烯是一種非常堅固的材料，可處理非常大的電流，團隊希望将石墨烯的特性引入電子學。據悉，該團隊克服了困擾石墨烯研究幾十年的最大障礙，以及許多人認為石墨烯電子器件永遠不會奏效的原因——“帶隙”。石墨烯電子學中長期存在的問題是石墨烯沒有合适的帶隙，并且無法以正确的比率打開和關閉。多年來許多人嘗試用各種方法來解決這個問題。而在最新研究中，該團隊的技術實作了帶隙，這是開發基于石墨烯的電子産品的關鍵一步。
（文章内容來源于網絡）
具體而言，研究團隊在使用特殊熔爐在碳化矽晶圓上生長石墨烯時取得了突破。他們生産了外延石墨烯，這是在碳化矽晶面上生長的單層。研究發現，當制造得當時，外延石墨烯會與碳化矽發生化學鍵合，并開始表現出半導體特性。但要制造功能性半導體，必須對半導體材料進行大量操作，這可能會損害其性能。為了證明他們的平台可作為可行的半導體發揮作用，該團隊需要在不損壞它的情況下測量其電子特性。他們将原子放在石墨烯上，利用摻雜技術向系統“捐贈”電子，用來觀察該材料是否是良好的導體——它能在不破壞材料或其特性的情況下工作。
該團隊的測量表明，他們的石墨烯半導體的遷移率是矽的10倍。換句話說，電子以非常低的阻力移動，這在電子學中意味着更快的計算。最後研究人員還稱，外延石墨烯可能會導緻電子領域的範式轉變，并允許利用其獨特特性的全新技術。這種材料可以利用電子的量子力學波動特性，這是量子計算的必要條件。
測量表明，石墨烯半導體的室溫電子遷移率是矽的十倍。這意味着更快的切換速度，可能使得GPU、CPU等裝置更高效地完成運算任務。此外，與傳統材料相比，石墨烯半導體強大的化學、機械和熱性能可以增強電子産品的耐用性和可靠性。
中國石墨烯也有新發現
有望應用于光電調制器和光電晶片
近日，中國科學院實體研究所、國家納米科學中心等機關的科研人員通過研究三層石墨烯的菱形堆垛結構取得了重要突破。他們發現，在菱形堆垛三層石墨烯中，電子和紅外聲子之間具有強互相作用，該發現有望應用于光電調制器和光電晶片等領域。
近年來，三層石墨烯引發了研究人員的廣泛關注。通常，三層石墨烯可呈現出兩種不同的堆疊幾何構型，分别是菱形堆垛和Bernal堆垛。研究人員表示：“這兩種堆垛的三層石墨烯具有完全不一樣的對稱性和電子特性，比如中心對稱的菱形堆垛的三層石墨烯具有位移電場可調的能隙，并可展現出一系列Bernal堆垛三層石墨烯不具有的關聯實體效應：莫特絕緣态、超導和鐵磁等。”
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一種全新開發方法
用于生長石墨烯納米帶
石墨烯于2004年首次被實驗發現，為高性能電子器件的開發帶來了曙光。石墨烯是一種由單層碳原子以蜂窩狀排列而成的二維晶體，具有獨特的電子能帶結構和優異的電子學特性。石墨烯中的電子為無品質的狄拉克費米子，能以極快的速度穿梭，石墨烯的載流子遷移率可達矽的100倍以上。基于石墨烯的“碳基納米電子學”有望開啟人類資訊社會的新時代。然而，二維石墨烯沒有帶隙，無法直接用來制作半導體器件。
理論實體學家提出可以通過把二維石墨烯裁剪成準一維的納米條帶的方式通過量子限域效應來引入帶隙。石墨烯納米帶的帶隙大小與其寬度成反比，寬度小于5納米的石墨烯納米帶具備與矽相當的帶隙大小，适合用來制造半導體。這種同時具備帶隙和超高遷移率的石墨烯納米帶是碳基納米電子學的理想候選材料之一。
為此，科研人員投入了大量精力研究石墨烯納米帶的制備。盡管目前已經發展了多種制備石墨烯納米帶的方法，但在可用于半導體器件的高品質石墨烯納米帶的制備問題一直沒有得到解決，已制備出的石墨烯納米帶的載流子遷移率均遠低于理論值。此差異一方面來自于石墨烯納米帶本身品質不高；另一方面來自于納米帶周圍環境的無序，由于石墨烯納米帶的低維屬性，其電子全部暴露在外界環境中的，是以電子的運動極其容易受到周圍環境影響。
為了提高石墨烯器件性能，人們嘗試了多種方法來減少環境帶來的無序效應。迄今為止最成功的方法是六方氮化硼封裝法。氮化硼是一種寬帶隙二維層狀絕緣體，具有與石墨烯一樣的蜂窩狀六角晶格。更重要的是，氮化硼具有原子級平整的表面和優異化學穩定性。如果把石墨烯夾封裝在兩層氮化硼晶體之間，形成三明治結構，石墨烯“夾心”将與外界複雜環境中的“水、氧、和微生物”隔絕，使得“夾心”可以一直保持在“最優質且新鮮”的狀态。
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多項研究表明，石墨烯被氮化硼封裝之後，包括載流子遷移率在内的多項性能會得到顯著提升。然而，已有的機械封裝法效率很低，目前僅能用于科研領域，難以滿足未來先進微電子産業中規模化生産的需要。通過實驗觀測表明，石墨烯納米帶的生長隻發生在催化劑的顆粒處，而且整個過程中催化劑的位置保持不變。這說明納米帶的末端會向石墨烯納米帶施加一個推動力，使得整條納米帶克服其與周圍氮化硼之間的摩擦力而不斷滑動，使得首端逐漸遠離催化劑顆粒。是以，研究人員推測，石墨烯納米帶在氮化硼原子層間滑移時受到的摩擦力必須非常小。
由于所生長的石墨烯納米帶被絕緣氮化硼“原位封裝”，免受器件加工過程中吸附、氧化、環境污染和光刻膠接觸的影響，是以理論上可獲得超高性能納米帶電子器件。
實際應用
石墨烯納米帶環氧塗層
對于冬季飛行來講，影響飛行安全的重要天敵就是飛機機翼結冰。當飛機停在機場時，從業人員可以利用專用的除冰液會對機翼進行除冰作業，但當飛機在高空飛行遭遇結冰時，目前還沒有一個理想的解決方案出現。近日美國德克薩斯州萊斯大學的科學家建立出一種全新的石墨烯納米帶環氧塗層，在被施加電壓後，能通過産生的電熱實作覆冰的融化。研究人員将環氧樹脂塗層與石墨烯納米帶相結合。石墨烯納米帶是由單層碳原子組成的二維晶體，研究人員制備的這種扁平的石墨烯納米帶具有極好的導電性能。
在實驗室測試中，研究人員将溫度設定在零下20℃，并在直升機旋翼槳葉的邊緣塗上環氧樹脂塗層，當塗層被施加了一個小小的電壓，該塗層表面就産生了溫度高達93℃的電熱，能融化1厘米多厚的覆冰。另外這種塗層還能為飛機提供電磁屏蔽層，幫助保護飛機免受雷擊。
石墨烯材料
用手套箱進行安全研發
1、生物相容性：羧基離子的植入可使石墨烯材料表面具有活性功能團，進而大幅度提高材料的細胞和生物反應活性。石墨烯呈薄紗狀與碳納米管的管狀相比，更适合于生物材料方面的研究。并且石墨烯的邊緣與碳納米管相比，更長，更易于被摻雜以及化學改性，更易于接受功能團。
2、氧化性：可與活潑金屬反應。
3、還原性：可在空氣中或是被氧化性酸氧化，通過該方法可以将石墨烯裁成小碎片。石墨烯氧化物是通過石墨氧化得到的層狀材料，經加熱或在水中超聲剝離過程很容易形成分離的石墨烯氧化物片層結構。
雖然石墨烯的結構相對穩定碳碳鍵（carbon-carbon bond）僅為1.42，但鑒于其化學性依然需要一個安全的實驗環境：石墨烯手套箱
Lab2000手套箱是一套高性能、高品質的自動吸收水、氧分子，純化工作環境的密閉循環工作系統，提供可以滿足您特定清潔要求應用的1ppm的O₂和H₂O惰性的氛圍環境。該系統是為石墨烯研究開發而設計的經濟型循環淨化系統：包括一台密閉箱體、一套過渡艙，一台旋片式真空泵和一套內建有微控制器操作面闆的循環淨化系統。标準的Lab2000系統配備的惰性氣體淨化系統安裝一套淨化柱（全自動可再生）淨化、維護手套箱箱體内的氣體環境。
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