处于基于石墨烯的电子产品的边缘

纳米电子学领域的一个紧迫任务是寻找一种可以替代硅的材料。几十年来，石墨烯似乎很有前途。但由于破坏性的处理方法和缺乏新的电子范式来支持它，它的潜力一路走低。随着硅在适应更快计算方面的能力几乎达到极限，现在比以往任何时候都更需要下一个大型纳米电子平台。

佐治亚理工学院物理学院的Regents 教授 Walter de Heer 在为硅的继任者提供案例方面向前迈出了关键一步。De Heer 和他的合作者开发了一种新的基于石墨烯的纳米电子学平台——单片碳原子。该技术与传统的微电子制造兼容，是任何可行的硅替代品的必要条件。在他们 发表于 Nature Communications的研究过程中，该团队可能还发现了一种新的准粒子。他们的发现可能会导致制造更小、更快、更高效和更可持续的计算机芯片，并对量子和高性能计算具有潜在影响。

“石墨烯的力量在于其平坦的二维结构，这种结构由已知最强的化学键结合在一起，”de Heer 说。“从一开始就很清楚，石墨烯可以微型化到比硅更大的程度——实现更小的设备，同时以更高的速度运行并产生更少的热量。这意味着，原则上，与硅相比，单个石墨烯芯片可以封装更多的设备。”

2001 年，de Heer 提出了一种基于外延石墨烯或外延石墨烯的替代电子产品形式——一层石墨烯被发现自发形成在碳化硅晶体的顶部，碳化硅晶体是一种用于高功率电子产品的半导体。当时，研究人员发现电流沿着外延石墨烯的边缘无阻力地流动，并且石墨烯器件可以在没有金属线的情况下无缝互连。这种组合允许一种依赖于石墨烯电子独特的类光特性的电子产品。

“在低温下在碳纳米管中观察到了量子干涉，我们希望在外延石墨烯带和网络中看到类似的效果，”de Heer 说。“硅无法实现石墨烯的这一重要特性。”

搭建平台

为了创建新的纳米电子学平台，研究人员在碳化硅晶体基板上创建了一种改良形式的外延石墨烯。他们与中国天津大学天津国际纳米粒子和纳米系统中心的研究人员合作，用电子级碳化硅晶体生产了独特的碳化硅芯片。石墨烯本身是在佐治亚理工学院的 de Heer 实验室使用获得专利的熔炉生长的。

研究人员使用电子束光刻(微电子学中常用的一种方法)来雕刻石墨烯纳米结构并将其边缘焊接到碳化硅芯片上。这个过程机械地稳定和密封石墨烯的边缘，否则它会与氧气和其他可能干扰电荷沿边缘运动的气体发生反应。

最后，为了测量他们的石墨烯平台的电子特性，该团队使用了一种低温设备，使他们能够记录从接近零的温度到室温的特性。

观察边缘状态

团队在石墨烯边缘态观察到的电荷类似于光纤中的光子，可以在不散射的情况下传播很远的距离。他们发现电荷在散射前沿着边缘移动了数万纳米。先前技术中的石墨烯电子在撞到小缺陷并向不同方向散射之前只能行进约 10 纳米。

“边缘电荷的特别之处在于它们会留在边缘并继续以相同的速度前进，即使边缘不是完全笔直的，”佐治亚理工学院物理学教授兼研究主任克莱尔伯杰说。位于法国格勒诺布尔的法国国家科学研究中心。

在金属中，电流由带负电的电子携带。但与研究人员的预期相反，他们的测量表明边缘电流不是由电子或空穴携带的(正准粒子的术语，表示没有电子)。相反，这些电流是由一种非常不寻常的准粒子携带的，这种准粒子既没有电荷也没有能量，但运动时没有阻力。尽管是单个物体，但观察到混合准粒子的成分在石墨烯边缘的相对侧移动。

独特的性质表明，准粒子可能是物理学家几十年来一直希望利用的准粒子——意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳 (Ettore Majorana) 于 1937 年预测的难以捉摸的马约拉纳费米子。

“在无缝互连的石墨烯网络中使用这种新的准粒子开发电子产品正在改变游戏规则，”de Heer 说。

根据 de Heer 的说法，我们可能还需要 5 到 10 年的时间才能拥有第一个基于石墨烯的电子产品。但由于该团队的新外延石墨烯平台，技术比以往任何时候都更接近于将石墨烯加冕为硅的继任者。