《華爾街日報》：石墨烯研究揭示其在芯片應用中的新潛力

佐治亞理工學院物理學教授沃爾特·德赫爾在其實驗室中手持石墨烯分子模型。圖片來源：佐治亞理工學院科學家團隊已證實，石墨烯——這種與普通鉛筆芯相同的物質——可充當半導體，這為有朝一日將其轉化為計算機芯片鋪平了道路。

這項發表於上週《自然》科學期刊的研究，為石墨烯這種長期被研究的材料提供了替代當今芯片中最主流材料硅的可能性。

由美國佐治亞理工學院與中國天津大學研究人員共同取得的這一發現，正值全球半導體霸權爭奪戰白熱化之際。各國正投入數百億美元補貼支持本土製造計劃，並推動產業界和科研界研發更強大芯片及硅的潛在替代材料——硅在某些領域已顯露疲態。

過渡金屬二硫屬化物等替代或輔助硅的材料，已被科學家研究數十年。近年來，氮化鎵和碳化硅等物質已應用於電動汽車動力芯片。

但硅材料短期內不會被取代的原因有很多。新型材料成本遠高於硅，而將硅轉化為芯片的工藝流程——由英特爾、台積電等企業在巨型晶圓廠中完成——已在精度、成本和生產效率方面臻於完善。“大規模生產仍是硅的絕對優勢，“弗雷斯特公司副總裁兼研究總監格倫·奧唐奈表示。

石墨烯的應用前景在於，其單芯片可集成的晶體管數量遠超硅芯片。這種由碳原子六邊形晶格構成的二維材料質地輕盈柔韌，強度是鋼材的數百倍，且具有極佳導電性。科學家已將其應用於可穿戴健康追蹤器、氣體傳感器和網球拍等產品，IBM、蘋果、薩博及洛克希德·馬丁等公司均已申請或獲得石墨烯相關專利。

但專家指出，石墨烯芯片面臨巨大製造障礙，必須降低生產成本，預計實現商用仍需五到十年甚至更長時間。

透明容器中，石墨坩堝內的碳化硅芯片表面生長着石墨烯。圖片來源：佐治亞理工學院芯片製造商過去嘗試將石墨烯用於電子產品的努力大多未能成功，因為它缺乏"帶隙”——這是承載可開關電流的關鍵特性。

由物理學教授沃爾特·德赫爾領導的佐治亞理工學院研究團隊表示，他們已突破至少一個障礙，發現其實驗室製造的石墨烯具有帶隙並能作為半導體使用。德赫爾透露，該團隊二十年來一直致力於此項研究，但鮮少獲得私人研究者和資助者的關注。

在與天津大學研究人員的合作中（大部分實驗工作在該校納米顆粒與納米系統中心主任馬雷的指導下完成），團隊通過在管內用感應線圈加熱碳化硅晶圓，成功製備出單層石墨烯。德赫爾表示，研究人員需要找到温度、加熱材料及元素的最佳"配方組合"才能實現這一成果。

德赫爾強調，該研究的核心目標是科學發現。他們專注於製備適合實驗室測量設備的毫米級石墨烯樣本，而非芯片製造所需的晶圓級尺寸。“若想實現大面積製備，必須攻克相關技術難題。“他説道。

高德納公司新興技術與趨勢副總裁分析師高拉夫·古普塔指出，除尺寸問題外，石墨烯芯片化的核心挑戰在於：如何以低成本將石墨烯與碳化硅（硅碳化合物）結合的同時保持高性能。

他表示，雖然碳化硅的製造工藝已經成熟，但目前尚不清楚如何在不降低良率的情況下將其與石墨烯結合。但如果能證明其優勢顯著，即使存在質量損失，也可能得到應用。

“假設石墨烯將經歷與其他半導體新材料相同的週期，這可能會帶來重大轉變，“古普塔説。

由於石墨烯的晶體管特性已得到驗證，它可能成為芯片製造商研發的重點。儘管分析師表示，主要製造商尚未將硅基替代材料列入發展路線圖，但雄厚的資金實力是石墨烯進入商業領域的最低要求。

“對於任何研究成果，我們都不應過於興奮，“Forrester的奧唐奈説。“從研究項目到生產並非膽小者所能勝任。”

聯繫作者貝勒·林，郵箱：[email protected]