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石墨烯最新前沿应用——超微电子器件
2015年04月17日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:3338
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一些研究者们采用了一个强大的磁场,在相同的平面石墨烯薄片。他们发现电子具有一种自旋顺时针逆时针自旋相反的举动。此外,通过改变磁场,可以控制这些边缘状态的打开和关闭,甚至可能创建新的晶体管和电路。在他们的工作中,研究者们采用了一种很强的磁场,35特斯拉强度,相当于大约10倍的MRI(核磁共振机器)。实验温度需要高于绝对零度0.3摄氏度。研究人员目前正在寻找方法争取在较弱的磁场和更高的温度下观察到同样的效果。


这一发现,奠定了石墨烯在微电子领域应用的基础。


碳纳米管相比,石墨烯有完美的杂化结构,大的共轭体系使其电子传输能力很强,而且合成石墨烯的原料是石墨,价格低廉,这表明石墨烯在应用方面将优于碳纳米管。与硅相比,石墨烯同样具有独特优:硅基的微计算机处理器在室温条件下每秒钟只能执行一定数量的操作,然而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力,所产生的热量也极少。此外,石墨烯本身就是一个良好的导热体,可以很快地散发热量。由于具有优异的性能,因此如果石墨烯用来制造电子产品,则运行的速度可以得到大幅提高。速度还不是石墨烯的唯一优点。硅不能分割成小于10 nm的小片,否则其将失去诱人的电子性能;与硅相比,石墨烯被分割时其基本物理性能并不改变,而且其电子性能还有可能异常发挥。因而,当硅无法再分割得更小时,比硅还小的石墨烯可继续维持摩尔定律,从而极有可能成为硅的替代品推动微电子技术继续向前发展。石墨烯拥有极高的电子迁移率,也拥有优于金属的均匀性,所以在作为纳米尺度的自旋电子器件的候选材料上,简直堪称完美。自旋电子器件通过单个电子的自旋状态编码信息,这和传统的上千个电荷的编码存在很大的差别,至少所使用的电子数大大减少;与此同时,自然也大大减小了器件的尺寸和功耗。


现在事实上已经有一些器件在使用自旋编码了,其中包括一些先进的硬盘驱动器和磁性随机存取存储器(MRAM),但这些器件只能移动自旋编码的电子几个纳米。不幸的是,铜和铝的均匀性并不好,不能长时间运行自旋编码,从而限制了自旋电子的性能。查尔姆斯理工大学(英国分校)纳米加工实验室的目标是将自旋电子移动的距离扩展至毫米级,从而使得所有的数字电路都可以使用自旋电子编码。


据报道,查尔姆斯理工大学的Saroj Dash教授和他的团队最近在有线长程自旋电子通信上取得了成功,他们在室温下将通过化学气象沉积沉积在铜上的石墨烯中的自旋电子传输到绝缘硅(SOI)晶片上。表征表明自旋电子的传输距离达到了16毫米,电子寿命为1.2纳秒,另外还有6毫米的自旋扩散长度(在该尺度内,自旋子之间的磁化可以同时自发交换);16毫米!达到了其它报道了的基于石墨烯的自旋电子的最远传输距离的6倍。


到目前为止,Dash的团队对他们的石墨烯的性能表现进行了一些表征,并且还制造了一些小器件来证明这一概念。他们的下一步是要制造存储器、处理器和其它更为复杂的电路,并且还要继续完善化学气相沉积制造理想石墨烯的方法,以得到完美的单晶石墨烯晶圆。


据国际半导体技术蓝图(ITRS)称,影响微电子行业几十年的摩尔定律将在2018年左右达到终点。如果Saroj Dash教授和他的团队最终如愿以偿地取得了成功。那摩尔定律将重现新的生机,电子设备的高速度、低能耗、微型化和便携化将再次跨入一个新的境界。石墨烯作为一种超级新型材料,带给我们这个世界无限的想象空间,让我们拭目以待一个石墨烯世纪的到来。

(粉体圈 作者:敬之)

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