石墨烯為何比晶矽更適合做電子元件?

2019-05-01 13:21:34

【李紹唐的回答(81票)】:

我來拍磚了,雖然不是專門做石墨烯的,但看到高票回答不甚贊同,就出來說兩句吧。

首先,題目中的電子元件,特指半導體器件,即電晶體,所給的連結中也是用來做電晶體了,不是用來做電阻,不是用來做電容,也不是用來做電介質。

而比矽更適合,其實只是個噱頭,和所謂的第三代半導體一樣,石墨烯有自己的優勢和特點,但談不上更適合。有個老師曾講過,再也找不到比矽更好的半導體材料了,想想看SiO2,這么豐富的原料,不用擔心資源不夠,會漲價什麼的,並且能夠容易的用熔煉的方法長成大塊無缺陷的矽單晶,而後切割成一個個十英寸以上的晶圓片,而後用十分簡便成熟的光刻的方法整體進行加工,再切割成一個個小的晶片。所以現在的晶片可以非常便宜。

傳說中的第二代,第三代半導體,GaAs,Ga2N3,ZnO,特點是直接帶隙不易發熱,另一方面和石墨烯一樣,電子遷移率高。但抱歉,熔煉你們做不了那么大,用化學氣相沉積的方法(CVD)製備的話,成本太高。

來吐槽頂樓的分析,既然特指半導體,那么頂樓所講的導電好,結構堅固這兩項其實就不是我們所考慮的,倒是八電子這個思想還是有用的。滿足8電子的半導體不一定要是第四族的單質矽和碳,實際上正常的碳是不行的,金剛石不是半導體,想做PN結的話又很難P型摻雜。那么其他族的化合物是可以的,包括了剛才提到的GaAs,GaN,ZnO。若是用於太陽能電池的窄禁帶材料,還可以構建很多,如Cu2S,ZnS,CuInSe2等等。

那么石墨烯為什麼在半導體方面火起來了呢,那是因為積體電路想不斷的減小,矽晶片做到現在十幾個納米的溝道已經是極限,那么再想減小大家就從納米材料上下功夫,之前的噱頭是碳納米管,大批的高水平文章就是用碳納米管手工和其他材料搭一搭有二極體,三極體作用的結構,但想用它做積體電路,那是扯淡,所以碳納米管這個材料找不到實際有效的套用,至今沒有得諾貝爾獎。而石墨烯呢,和納米管是天壤之別,雖然它很薄,但可以做的比較大,CVD的方法好像做到邊長10厘米都可以(這篇文章里是用的SiC分解法),而這篇文章文章提到,它還可以用光刻的方法加工成電晶體。而且它又是一個二維結構,一個個電晶體最後就能組成小規模的積體電路。有這個套用前景,所以石墨烯的發現,才能得諾貝爾獎。

很早前的新聞也就是做5個電晶體組成的小電路,後來沒留意了。想跟矽搶飯碗,還早。

【曹海強的回答(57票)】:

簡而言之,石墨烯之所以熱門是因為它具備了作為微電子器件材料所需的大部分性質,尤其是它的超高遷移率以及結構尺度為二維的特性。除此之外,石墨烯的高熱導率、高力學強度、近乎透明在實際套用中賦予了其很好的性能。但因為其缺少合適能隙的先天缺陷無法在短期內投入到實際套用中。

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具體闡述:

一個理想的微電子材料需要滿足的點卻遠不只高遷移率這一項,歸結起來主要有以下幾點:

1) 易於在大面積的襯底上生長,過程不產生危害物,能夠與現有的矽基技術相容(考慮到矽基半導體技術投入非常巨大,能夠相容而不是淘汰才能夠滿足工業界的成本考量)。

2)與襯底介電材料之間能形成穩定的界面,缺陷濃度小,不會影響界面附近半導體中載流子的輸運

3)和金屬柵極之間的接觸電阻較小

4)最最重要的一點,足夠好的熱導率、遷移率以及一個合適的能隙寬度。這些特性決定了該器件的頻率和開關電流比。

石墨烯的電子遷移率異常之高而有效質量接近於0,這得益於其費米面附近獨特的狄拉克錐形(Dirac cone)能帶結構。

圖(1)dirac cone示意圖

高質量的石墨烯中有效質量可以達到

,在製成MOSFET之後可以到

,然而傳統的矽基材料MOS只有

,兩個數量級的遷移率的差別在微電子工業中已經是很大程度的性能提升。

@李貝 提到了石墨烯熱傳導率在有缺陷的情況下會遇到瓶頸的情況。事實上,石墨烯的熱導率在封裝之後相比於矽表現並不差,參見下圖,封裝完成的石墨烯熱導率在

W·m?1·K?1量級上,現在所用的矽的熱導率 為149 W·m?1·K?1,這還是沒有經過加工封裝的純矽。 石墨烯的熱導率並不會成為阻礙其在電子工業中套用的瓶頸。更多的關於石墨烯的熱導率方面的內容可以參見下面的參考文獻:Thermal properties of graphene: Fundamentals and applications

Eric Pop , Vikas Varshney , and Ajit K. Roy,MRS BULLETIN,VOL37,DECEMBER 2012,1273

圖(2)不同碳基材料的熱導率在室溫下的實驗測量值。(Graphene 和GNR分別代表石墨烯和石墨帶。suspend 是指沒有放在襯底上,supported指放在SiO2襯底上,encased是指封裝完成的樣品)圖(2)不同碳基材料的熱導率在室溫下的實驗測量值。(Graphene 和GNR分別代表石墨烯和石墨帶。suspend 是指沒有放在襯底上,supported指放在SiO2襯底上,encased是指封裝完成的樣品)

圖片來源(MRS BULLETIN,VOL37,DECEMBER 2012,1273)

事實上,石墨烯幾乎具備所有電子工業材料所需的特點,除了一個合適的能隙寬度(大於等於0.4 eV的能隙可以獲得一個較好的開關電流比)。

根據圖(1)我們可以看到,石墨烯在費米面附近幾乎沒有形成能隙(band gap),從而石墨烯製成的MOSFET只能開啟無法關閉。這樣的材料是無法在電子工業界中得到套用的,所以目前我們暫時還無法在近期甚至中期內看到由石墨烯製成的MOSFET或者RF器件。

當然,石墨烯能隙寬度這個問題也不是無法解決,目前的辦法有通過刻蝕法(lithography)製成石墨帶(graphene nanoribbon),或者堆疊形成雙層石墨烯外加垂直方向電場形成能隙。這些方法的原理等我有時間仔細講述一下,如果大家有興趣了解的話。

圖(3)石墨烯如何打開能隙(來源nanture nanotechnology )

圖(4)雙層石墨烯外加垂直電場打開能隙圖(4)雙層石墨烯外加垂直電場打開能隙

目前來看,石墨烯在電子工業界的地位更可能是矽的好基友,而不是競爭對手,利用其優異的力學、熱學和電學性質可以在矽基半導體工業中扮演散熱器、透明電極、襯底材料等角色。矽的霸主地位從70年代以來就受到了III-V族GaAs、碳納米管等小弟的挑戰,但沒有一個把它打敗過,短時間來看strain silicon技術可以進一步挖掘其潛力,矽的地位還能繼續保持下去。

To Be Continue

【平驚雷的回答(11票)】:

這個問題的答案可以非常長。因為把實驗室的東西套用到工業本身就牽扯很多問題。

石墨烯在半導體領域非常受重視主要是因為:

(1)它有非常大的電子遷移率。簡單說來,就是電子跑得很快。

(2)一點點改性就能讓石墨電子傳輸性質發生很大改變。例如改變載流子類型,改變電阻等等。

(3) 石墨烯是一個二維材料,接近於透明,又有很大的延展性,因此可以用來做透明而且軟性的電子材料。

(4) 石墨烯的光吸收,傳輸性質很特殊,可以做超快的調製器。【www.nature.com/nature/journal/v474/n7349/full/nature10067.html】

等等。

矽的最大優勢是技術成熟,獲取方便。目前石墨烯的套用還僅限於實驗室層面。大面積獲得的方法主要有(1)同向生長。就是提問者引用文章敘述的方法。(2)化學蒸汽沉積。要用到高溫和金屬。兩個方法成本都不小,尤其是(1)。

【江嘉鍵的回答(57票)】:

謝邀。

我們把這當成一個思維遊戲好了。想像一下,假如你是工程師,現在扔給你一張元素周期表,讓你挑出一種元素做成導電性好,硬度強的電子元件,你怎么選?(要求國中以上化學知識)

首先,既然我們想要一種強度高的電子元件,首先要求這種元素能夠通過化學鍵往二維或者三維方向延展。能向二維延展的元素至少要能夠形成三個化學鍵,能向三維拓展的元素至少要能夠形成四個化學鍵。如下圖的球棍模型所示。

現在我們需要篩選出能夠形成三個以上化學鍵的元素。回顧一下我們國中學過的化學知識,原子成鍵需要遵循八耦律,也就是當原子成鍵以後,最外層電子排布為八電子穩定結構。元素周期表第一主族有一個電子,給出一個電子後形成穩定結構,所以假定他們能夠形成化學鍵(其實基本上形成的都是離子鍵),也最多只能形成一個化學鍵;同理,第二主族最多只能形成二個化學鍵。

第三主族,第四主族最多能夠分別形成三個,四個化學鍵。符合我們的條件。

再來看第五主族,因為該族元素最外層有五個電子,意味著只要別的原子和它們分享三個電子,就能夠形成八電子穩定結構。因此,第五族元素最多也能夠形成三個化學鍵,符合我們的要求。

第六主族外層六個電子,所以需要別人和它們分享兩個電子,因此最多只能形成兩個化學鍵,不符合要求;同理第七主族也不符合要求,第八主族本身就是穩定結構,也不符合要求。

經過這樣的篩選,我們就知道製備電子元件只能從第三,第四和第五主族裡面選了。

第二輪篩選開始了,我們需要該種元素製成的電子元件有良好導電性。

我們看第三主族元素,它們只有三個電子,形成三個化學鍵以後,就不會有自由電子了,所以無法具備良好的導電性。第五主族的元素,因為形成三個化學鍵以後就形成了八電子穩定結構,雖然它們五個電子中只有三個和其它三個原子配對成鍵,但剩下的兩個電子也無法自由移動以保持八電子穩定結構。

因此我們排除了第三和第五主族,最後只能指望在第四主族找到我們想要的元素了。

第四主族最多可以形成三個或者四個化學鍵,所以可以形成二維或者三維結構。當形成的是三維結構時,排列如下圖所示:

第四主族最上面的兩種元素:碳和矽都能夠形成以上的晶體結構。其中碳所形成的以上三維結構就叫金剛石(高純度的就是鑽石),矽所形成的就是單晶矽。金剛石是自然界天然形成的硬度最高的物質,為什麼金剛石硬度比單晶矽要高?這是一個簡單的化學規律:原子半徑越小,化學鍵越強。因為碳的原子半徑比矽小,所以金剛石的化學鍵就比單晶矽強。化學鍵越強,就越難被打斷,硬度自然就越高。

但是以上的三維結構同樣有一個問題,就是裡面沒有自由電子了。這就是為什麼單晶矽導電性能不好的緣故。

那么如果第四主族元素形成的是二維結構又如何呢?這時它們將會把自己的四個電子中的三個用來成鍵,此時最外層電子數是4+3=7<8,所以是缺電子結構。在這種情況下,原子會想出一種辦法,就是把所有電子拿出來共享,形成一種叫大π鍵的化學鍵,所有參與大π鍵的電子在二維的層結構間自由移動。因此我們來想像一下,用這種二維層結構組成的材料有什麼性質?首先,這種二維層結構之中的原子形成的是和金剛石類似的化學鍵,所有它們有可以和金剛石媲美的硬度;因為層間有自由電子不斷移動,所以有良好的導電性;因為層內形成的六邊形,以及層間都有很大的空隙(看下圖),所以對光的折射反射作用不強,所以材料會顯得相當透明。

恰好,碳元素天然存在以上的二維結構,我們叫它做石墨。所以我們終於找到能夠製備我們想要的電子元件的元素了。石墨結構如下圖所示:

平面圖 平面圖

截面圖(黃色的就是自由電子)截面圖(黃色的就是自由電子)

石墨烯材料就是從以上的石墨中一層一層地取出來的東西。拿諾貝爾物理學獎的那群人想的辦法就是用膠帶反覆地把這些層結構撕下來,就得到了石墨烯材料了。

以上就解釋了石墨烯為什麼強度高,導電性好和透明了。不過石墨烯作為單層原子的結構,更讓科學家感興趣的其實是它們的納米效應和量子效應。

【薛元坤的回答(4票)】:

對高票實在不敢苟同。首先,問題本身定義有問題。我覺得正確的問題是石墨烯比單晶矽更適合做深亞納米尺度下的電晶體,而並非所有的電子元件。某位大神的回答從固體物理的角度解釋了石墨烯的導電性和結構穩定性,毋庸置疑是正確的。然而良好的導電性並非是使之成為下一代電晶體的候選人的充足理由。我們知道,對於數字積體電路而言,電晶體在電流的控制下或者在電壓控制下是否具有良好的開關特性是我們最為關注的。也就是說,在電晶體應該更加趨向於一個理想的開關,也就是說,關閉時,關態的漏電為0。開態時,導通的電阻最小。同時也要要求開關的狀態轉換對稱,過渡時間為0。寄生的電阻和電容最小,本徵的器件延時為最小。同時,器件的downscaling 是否在我們關心的尺度下可以以恆電場或者準恆電場的規則不斷縮小,也是判斷其性能的標準。而一個器件越趨於這個上述的理想開關特性,我們就可以放心地說他就是我們需要的電晶體器件。無論是石墨烯還是碳納米管還是有機電晶體,只要符合我們在現有工藝可製造性的條件下,具有更理想的開關特性,就可以稱他是單晶矽的替代者。特別是當電晶體的特徵尺度到達10nm以下,單晶矽的柵氧的關態漏電,短溝道效應和窄溝道效應以及光刻技術的局限,都在成為平面矽技術進一步downscaling的制約因素。因而我們寄希望新的矽技術(如FinFET)和beyond silicon(如鍺矽,砷化鎵,石墨烯,碳納米管和有機電晶體等)以及新的製造工藝(納米壓印等)來繼續推動Moore's Law大行其道。

【廉超的回答(3票)】:

看到@李紹唐的答案,特意來贊,石墨烯比晶體矽更適合做電子器件是不正確的

我補充的原因有幾點:

  1. 石墨烯無法做到很純的單晶。但這不是大問題,一是有晶界的石墨烯並不特別影響使用;二是這只是生長技術問題,並不是石墨烯本身無法長出單晶。單晶矽不也在材料學家和物理學家的努力下做到7個9(99.99999)以上的純度了嗎?但是想使用石墨烯,技術革新還是必須的。
  2. 石墨烯的開關比不高。我們想實現01開關,至少得有一個是關閉的;就算不是完全關閉,電流極低也可以。而且開電流1必須比關電流0大很多,才能在電子器件中比如可靠和容易地區分0和1。傳統晶體矽器件在加柵極電壓時,導電溝道關閉,幾乎不導電,就是0;不加或加反向柵極電壓把導電溝道打開,就是1。但由於石墨烯不是傳統意義上的半導體,相反,它是一種特殊的導體。不加柵極電壓時,電流不為零;加了柵極電壓,電流反而更大。由於無法關掉電流,必然有非常嚴重的發熱問題。柵極電壓無法太大程度上改變電流大小,所以幾乎不能用來區分0和1。這才是石墨烯做電路的最大問題。當然這個問題也可以解決,具體不說了,這還屬於研究範疇。
  3. 石墨烯是一種二維納米材料,量子效應還是太嚴重了。比如邊緣態和晶界都有可能很大程度上影響其電子結構和電性質。當然這是從傳統工業的角度,本來納米材料就應該有量子效應,而且我們應該是去利用它而不是迴避它。但是從技術層面說,量子效應的調製意味著原子級操作,想把量子效應調製成我們想要的那個裝態,實在是太難。

所以說:

在20年之內,基於石墨烯的cpu不會出現

——因石墨烯獲諾獎的安德烈·海姆如是說

短期內石墨烯替代晶體矽只是個美好的願望。

【德州扒雞殺人狂的回答(2票)】:

其實石墨烯沒有那么好,儘管電子遷移率、機械強度、光吸收強度等等性質都能達到理想的效果,但仍然有部分性質在實際中並沒有理論中的好,例如一旦純度不夠好,石墨烯導熱性就難以說的上好。套用方面,石墨烯主要是在Flexible Electronic、High-frequency Transistors、Energy Storage、Photonics、Optical modulator、Bioapplications等等。

目前來看石墨烯仍然是CVD和SiC外延生長兩種方式高成本生產,液相剝離得到的石墨烯性能要差不少。

在lz所說的Logic Transistor這方面,正如@代宇所言由於Bandgap缺失,Graphene並不適於邏輯器件。對於解決方法而言,最近十年到二十年的時間內很難會有所突破。

Several research paths are being targeted at opening a bandgap ingraphene: nanoribbon, and single electron transistor formation, bilayer control and chemically modified graphene. However, all of these approaches (apart from chemical modification) have so far been unable to open a bandgap wider than 360 meV , which limits the on/off ratio to about, much less than the required. Even worse, they also lead to the degradation of the carrier mobility in graphene

以上引自《A road map for graphene》,K. S. Novoselov去年的Review。對石墨烯生產和套用有興趣的也可以看下這篇文章。作者K. S. Novoselov憑藉在Graphene上的突破拿到了2010年的諾獎。

【法鏡的回答(2票)】:

碳材料從富勒烯到碳納米管,再到現在的石墨烯,再到以後的碳量子點等等……都有一個特點……那就是造就了無數學生成功畢業……

【代宇的回答(1票)】:

電子元件方面,graphene現在只有在高頻器件上有優勢,也就是你看到的IBM所做的工作;其他的如傳統邏輯器件CMOS,Si的性能遠遠好於graphene。畢竟graphene沒有帶隙,這在半導體套用中是致命的缺點,所以現在也有很多工作在研究怎樣打開帶隙,如對雙層石墨烯加兩偏壓,把單層石墨烯變窄。

【曾島的回答(0票)】:

很看好石墨烯,傳輸速度快,能取代二極體,熱效率低,但是在生產工藝和生產效率上和矽現階段差距很大.

【劉楠的回答(0票)】:

石墨烯真的可以代替矽嗎?石墨烯優良的性質不必多說,但是如何保持高載流子遷移率還能有帶隙,這個太具有挑戰性了。或許設計新的電子電路?

我覺得最可及的還是電極材料吧。

【喜樂呵的回答(0票)】:

石墨烯在一些特定的領域會得到廣泛的套用,由於石墨烯本身沒有帶隙,用作半導體器件那是發發文章,取代矽技術批量化生產那是騙基金的把戲!

石墨烯看到的套用如下:

1、在柔性領域取代ITO作為透明導電材料;

2、能源領域:鋰離子電池負極(最近報導實現分分鐘充高能量密度鋰離子電池)、超級電容器;

3、電磁禁止、散熱(高熱導)材料;

科研套用:

1、電鏡載網(太棒了,沒有比這個更好的了)

2、DNA測序(夢幻科技、黑科技、個人認為真正能實現的可能不高)

3、質子傳導膜用於燃料電池(有可能)

4、光電感測器件,從紅外到THz都有可能;

【王俊濤的回答(1票)】:

金屬的電子碰撞會產熱,而石墨烯不會,並且導電性比銀都好。

【知乎用戶的回答(0票)】:

工藝問題不解決就別提替代

原文地址:知乎

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