神奇之碳 石墨烯续写传奇

　　日前，北京大学、美国弗吉尼亚联邦大学和中科院上海技术物理研究所的科学家组成国际科研团队，通过理论计算，推算出一种能够在常温常压下保持金属形态的三维碳，并于美国《国家科学院院刊》在线发表了相关论文。该项研究或将揭开“是否存在于常温常压下保持金属形态的碳”之谜。那么，作为一直被热炒的对象、号称神奇之碳的石墨烯，它的研究又取得了哪些进展呢？今天，OFweek电子工程网小编就带大家来看看。

　　石墨烯无缝集成电路架构 噪声容限更高、静态功耗更低

　　美国科学家研制出了一种新的集成电路架构并做出了模型。在这一架构内，晶体管和互连设备无缝地结合在一块石墨烯薄片上。发表在《应用物理快报》杂志上的这项最新研究将有助于科学家们制造出能效超高的柔性透明电子设备。

　　目前，用来制造晶体管和互联设备的都是大块材料，因此很难让集成电路变得更小，而且大块材料也容易导致晶体管和互联设备之间的“接触电阻”变大，而这两方面都会降低晶体管和互联设备的性能并增加能耗。基于石墨烯的晶体管和互连设备极具前景，有望解决这些基本问题。

　　该研究的领导者、加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)电子和计算机工程系教授、纳米电子设备研究实验室主任高斯塔夫˙巴纳吉表示：“石墨烯除了是目前最纤薄的材料之外，其还具有一个可调谐的带隙。狭窄的石墨烯带能被用来制造半导体;而宽的石墨烯带是金属。不同的石墨烯带可以制成不同的设备，制成的设备可以无缝地结合在一起，这样也可以降低接触电阻。”

　　在实验中，巴纳吉研究团队使用非平衡格林函数(NEGF)来对包含有如此多异质结构的复杂电路架构的性能进行评估，并研究出了一种方法，设计出了这种“全石墨烯”的逻辑电路。该研究的合作者康家豪(音译)表示：“对电子通过由不同类型的石墨烯纳米带制造的设备和互连设备的情况以及跨过其接口的情况进行精确的评估是我们的电路设计成功并达到最优化的关键。”

　　石墨烯研究领域的大咖、哥伦比亚大学的物理学教授菲利普˙吉姆表示：“这项研究通过使用一种全石墨烯的设备——互联架构，为传统集成电路会遇到的接触电阻问题提供了一种解决办法，这将显着简化基于石墨烯的纳米电子设备的集成电路构建过程。”

　　结果表明，与目前的集成电路技术相比，新的全石墨烯电路的噪声容限更高，且耗费的静态功耗低很多。另外，巴纳吉表示，随着石墨烯研究领域不断取得进展，这种全石墨烯电路有望在不久的将来成为现实。[page]

     全新石墨烯生产工艺 推动柔韧和透明电子产品发展

　　哥伦比亚大学工程研究实验首次证明，可以从只有原子厚度的薄二维材料的一维边缘来进行电接触，而不是按照常规做法从其顶部接触。有了这样新的接触架构，研究人员已开发出一种新的层状材料组装工艺来防止接口污染。此外，使用石墨烯作为二维材料样品表明，这两种方法的结合会形成无污染石墨烯，该石墨烯目前尚未实现。

　　研究人员采用一种新技术将二维石墨烯层完全密封在一个薄的绝缘氮化硼晶体的夹层结构中，并且将这些晶体层一个接一个地堆叠在里面。Dean解释道：“我们组装这些异质结构的方法完全消除层与层之间的任何污染，这可以通过横切设备并观察其在原子分辨率的透射电子显微镜成像来证实。”

　　一旦他们创建了堆栈，石墨烯的边缘就会暴露蚀刻，然后将金属蒸发到边缘来建立电接触。 通过沿边缘进行电接触，该团队实现了在二维有源层和三维金属电极之间的一维接触。此外，尽管电子仅从石墨片的一维原子边缘进入，但接触电阻是相当低的，可到达每微米100 Ohms的接触宽度，这比石墨烯顶面接触可实现的值更小。

　　有了这两个新工艺，即通过一维边缘的接触架构和防止接口污染的堆栈组装方法，该团队能够生产“尚未实现的最干净的石墨烯”。在室温下，这些设备表现出以往所没有的性能，包括比任何传统二维电子系统至少大两倍的电子迁移率、当加入足够静电电荷到薄片时少于40 Ohms的薄层电阻率等。令人惊讶的是，这个二维薄层电阻相对于一个“大块”三维电阻率在常温下比其他金属电阻率更小。在低温下，电子通过样品时并不分散，这种现象被称为弹道传输。弹道传输在以往的样品中观察时是接近于1毫米的大小，但是这项工作证明样品中同样的行为有20毫米那么大。Dean 称：“距离远近纯粹受设备大小所限，这表明真正的‘本质’行为甚至会更好。”

　　该团队目前正在运用机械组装和混合材料的边缘接触等工艺来开发新的复合材料。这些混合材料来自于全套可用的层状材料，包括石墨烯、氮化硼、过渡金属dichlcogenides （TMDCs）、过渡金属氧化物（TMOs）和拓扑绝缘体（TIs）。Dean补充道：“目前，我们正利用常规手段获得石墨烯设备前所未有的性能来探索大尺度弹道电子传输相关的一些效果和应用。有了这么多聚焦于正在开发的整合层状二维系统新设备的最新研究，那么石墨烯各种潜在应用会是令人难以置信的，其中包括垂直结构晶体管、隧道设备和传感器、光敏混合材料、高柔韧度和透明度的电子产品。”[page]

     石墨烯量子晶体管 助力DNA感测器

　　在基因组测序技术领域，科学家在不断追求速度更快、成本更低的方法和设备。据物理学家组织网10月30日报道，最近，美国伊利诺斯大学厄本那—香槟分校最近开发出了一种新奇的方法：把石墨烯纳米带（GNR）夹在两层有纳米孔（内径约1纳米）的固体膜中间，再让DNA分子穿过这种“三明治”设备，以此来感知辨认所通过的DNA碱基对。

　　研究人员设计的DNA感测器是一种以石墨烯为基础的场效应类晶体管设备，能探测DNA链的旋转和位置结构。实现这一点的关键是利用了石墨烯的电学性质，制成的GNR可以多方调节，改变它的边缘形状、载流子浓度、纳米孔位置等，由此来调节它的电导率和对外部电荷的灵敏度。

　　“在这一专业领域，当前主要的实验研究是模型模拟。”这里面临着许多难题和挑战，让-皮埃尔·莱伯顿教授介绍说，常用的密度泛函理论（DFT，一种物理学和化学中所用的量子力学模型方法，用于研究多物体系统的电子结构），仅限于固体系统中，而我们所处理的是一种固—液混合系统。此外，DFT还要对石墨烯纳米带假设一些过于简单和理想化的条件，比如GNR宽度要一致，边缘要规则，纳米孔还要位于石墨烯带的中心，没有电解液的静电穿透等。

　　“在我们的方法中，我们使用一种多轨道紧绑（TB）技术，比DFT处理的原子数量要大得多，而且考虑了GNR宽度不一，边缘不规则，以及纳米孔大小和位置不同等问题。”莱伯顿解释说。此外，他们用一种多尺度法处理了双混系统。

　　研究人员指出，其他领域也可能从这项研究中受益。比如开发新的小型生物电子设备，广泛用于个体化医疗。莱伯顿说：“从更广泛的意义上说，这是生物学与纳米电子学在分子水平上的互动。纳米电子设备带给我们控制生物信息的可能，利用生物处理海量信息的能力，开辟信息处理技术的新天地。”[page]

    紫外光/臭氧真空型设备 实现石墨烯显示屏制备

　　上海交通大学日前披露，该校物理与天文系教授陈险峰与陶海华博士科研团队，研发了具有自主知识产权的紫外光/臭氧真空型设备，通过利用紫外光化学反应对石墨烯进行清洗和掺杂，有效提高其导电性能，使它在产业化过程中作为一种透明导电材料，让可卷曲的电视、电脑、手机变成现实。

　　据介绍，在电子显示器件领域，获得柔性显示屏一直是人们的梦想。然而，电极材料成了制约这一技术发展的关键因素之一。在传统的平板显示行业，ITO薄膜是人们采用的常规材料。但因其质地脆、成膜温度高，不适宜用于普通的柔性有机基底材料上。

　　石墨烯用于电极材料时，其主要是由单层或几层碳原子薄膜支撑，将大面积生长的石墨烯薄膜转移到任意柔性材料上，并随之弯曲、折叠。

　　研究团队认为，石墨烯是人类用于发展柔性显示器的宝贵礼物，紫外光/臭氧真空设备提供一种准确可控的干法表面处理技术，将可能在这一使命中发挥无可替代的重要作用。

　　据了解，石墨烯是由单层碳原子构成的二维晶体，厚度仅有一个碳原子大小，具有优异的导电性、导热性、光学透过率和韧性等。石墨烯这一领域的研究，由于全世界各国政府、科研人员和产业界的共同关注，在不到十年的时间里取得了诸多成果。同时，由于石墨烯本身所具有的优异特性，科研人员正在探索用石墨烯代替脆质、资源日益匮乏的氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜。

　　据介绍，研究团队研发的紫外光/臭氧表面处理真空设备，可以用来有效清洗石墨烯表面的有机污染物，并进一步实现载流子的掺杂。通过进一步控制工艺流程，若把石墨烯的导电性能提高到与ITO薄膜相当的水平，这将为柔性显示器件所必须的阳极透明导电薄膜的生产奠定基础。

　　专家认为，紫外光/臭氧真空设备不仅是紫外光化学反应技术本身的革命，它还会对材料、器件、医学、生物等众多领域的基础研究和产业化应用产生重要的影响，有望成为未来产业界中的重要链条。[page]

   石墨烯毫米波器件 毫米波器件发展热点

　　由于电子在石墨烯中可不被散射而进行传输，用其制备的晶体管尺寸更小、速度更快，能耗更低，适于高性能、高集成度的RF系统级芯片（SoC）应用。

　　石墨烯器件工艺与传统的CMOS工艺兼容，是器件关键材料的更新换代的首选。专家预测石墨烯的研究成果将对高端军用系统的创新发展产生难以估量的冲击力，包括毫米波精密成像系统、毫米波超宽带通信系统、雷达及电子战系统等。

　　石墨烯由于其特有的高迁移率、好的噪声性能等，在低噪声放大应用中有很大的优势，能广泛的应用于W波段以及以上波段的毫米波单片集成电路（MMIC）和低噪声放大器等电路中，因而成为近期研究的一个热点。

　　碳纳米管能让电池变柔软

　　最后，我看来再来看一个碳家族成员的神奇表现，虽然它不叫石墨烯。

　　据报道，美国新泽西理工学院的科学家已经开发出一种由碳纳米管制成的柔性电池，未来有望在柔性显示器和可穿戴电子设备上获得应用。

　　电子产品制造商现在已经制造出了柔性OLED显示器，这种开拓性的技术将让我们身边的电子产品发生根本性的改观，可以折叠的手机、平板电脑和电视正在从科幻走入现实。而这种新型柔性电池的研制成功无疑让这些柔性可折叠设备离我们更近了一步。

　　领导该项研究的美国新泽西理工学院化学与环境科学教授萨曼尼·米特拉说，这种电池由碳纳米管和作为活性成分的细微粒子构成，这些粒子与传统电池中的粒子作用类似，但它们被设计成在具有活性的同时保持柔性。这种电池在外形设计上极为灵活，小可如针头，大可如地毯，应用领域可以说是无穷无尽，多种尺寸的柔性便携设备都能适配。可以用其替代普通的AA或AAA电池，也可以将其卷起来放在电动汽车的后背箱里作为备用电源。

　　除此之外，这种电池还有另外一种革命性的潜力，它结构简单、组装难度较小，掌握技术要领后容易批量生产。制造电池需要的基本部件包括电极、电浆和包裹材料。使用两片塑料包裹材料将电极和电浆包裹起来之后，再在其中加入塑料隔板，最后将整个系统封装起来就可以了。

 　　神奇的碳，再一次在我们面前展示了其神奇之处。石墨烯将推动的巨大市场已成万人关注焦点。它的研究还会取得怎样的进展，让我们拭目以待。