基于石墨烯的纳米电子平台问世

石墨烯器件生长在碳化硅衬底芯片上。图片来源：佐治亚理工学院

纳米电子学领域的一个紧迫任务是寻找一种可替代硅的材料。美国佐治亚理工学院研究人员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。发表在《自然·通讯》杂志上的该技术可以与传统的微电子制造兼容，有助于制造出更小、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。

研究人员称，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。相较于硅，石墨烯可微型化的程度更深、能以更高的速度运行并产生更少的热量。原则上，单一的石墨烯芯片要比硅芯片内可封装更多器件。

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，用电子级碳化硅晶体生产了独特的碳化硅芯片。

研究人员使用电子束光刻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，为了测量石墨烯平台的电子特性，研究团队使用了一种低温设备，使他们能够记录从接近零摄氏度到室温下的特性。

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。而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。

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，而是由一种不同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。

团队表示，其独特的性质表明，准粒子可能是物理学家几十年来一直希望利用的粒子——马约拉纳费米子。

人们拥有第一个基于石墨烯的电子产品可能还需要5—10年的时间，但在无缝互连的石墨烯网络中，使用文中这种新的准粒子开发电子产品指日可待。而新外延石墨烯平台的出现，比以往任何时候都更接近于将石墨烯“加冕”为硅的继任者。可以说，在此基础上，下一代电子产品不但大有可为，还将改变整个“游戏规则”。