基于石墨烯的纳米电子平台问世

随着芯片制造行业工艺微缩这条路逐渐走到尽头，纳米电子学领域急需找出一种硅的替代材料，而大家近十年来最期待的石墨烯已经有所应用，不过大概依然是无法在短时间内走向市场。

美国佐治亚理工学院专家中的专家沃尔特・德・希尔（Walter de Heer）率先开发出了一种新的基于石墨烯的纳米电子学平台 —— 单片碳原子，与传统的微电子制造兼容，为人类从硅材料转向新材料铺平了道路。

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相关研究成果已经发表在《自然・通讯》杂志上。

该团队还新发现了一种可能的准粒子。他们的发现有助于人类制造出更小、更快、更高效和可持续的计算机芯片，并对量子和高性能计算产生潜在影响。

官方表示，该技术有助于制造出更小、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。

“石墨烯的力量在于其扁平的二维结构，由已知最强的化学键连接在一起，”de Heer 介绍称，“从一开始就很明显，石墨烯的小型化程度要比硅强得多，可以制造出更小的设备，同时可以用更高的速度运行，产生的热量也小得多。这意味着，在原则上，石墨烯芯片可以比硅芯片封装更多的元器件。”

2001 年，de Heer 提出了一种基于外延石墨烯的另一种电子形式，他发现在碳化硅晶体顶部自发形成了一层石墨烯，而碳化硅晶体是一种用于大功率电子设备的半导体。

当时，研究人员发现电流可以沿着外延石墨烯的边缘“无阻力”流动，并且石墨烯器件可以在没有金属线的情况下无缝连接。这种组合可以制造出一种依赖于石墨烯电子独特的类光性质的电子形式。

de Heer 说:“在低温下，碳纳米管中已经观察到量子干涉，我们希望在外延石墨烯带和网络中看到类似的影响。”“石墨烯的这一重要特性是硅无法实现的。”

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搭建了一种改良形式的外延石墨烯。他们与中国天津大学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出了独特的碳化硅芯片。

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。最后，为了测量他们的石墨烯平台的电子特性，该团队还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。

他们发现，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到距离很远的地方。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只能行进约 10 纳米。

与研究人员预期相反的是，此边缘电流并不是由电子或空穴产生的，而是由一种独特的准粒子所引发的现象。奇怪的是，这种准粒子既没有电荷也没有能量，但运动时毫无阻力。此外，他们还观察到混合准粒子的成分在石墨烯边缘的相对侧移动。

这种独特的性质表明，他们所发现的准粒子可能是物理学家几十年来一直在追寻的那种准粒子，也就是意大利理论物理学家埃托雷・马约拉纳 (Ettore Majorana) 于 1937 年预言的马约拉纳费米子。

“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。

不过大家不要高兴地太早，任何事物都无法一蹴而就。根据 de Heer 的说法，我们可能还需要 5 到 10 年的时间才能看到第一个基于石墨烯的电子产品。但得益于这种新的石墨烯平台，此类技术比以往任何时候都更接近成熟。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-34369-4

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