尼科西亚先进院等筹备出离子加强型黑磷晶体管

原标题:从可穿戴设备到纸币防伪,这种技术将走进我们生活的方方面面

近日,复旦大学信息科学与工程学院仇志军副教授与刘冉教授领导的科研团队在揭示有机薄膜晶体管(OTFT)性能稳定性机制上取得突破性进展,提出了一种水氧电化学反应与有机薄膜载流子相互作用的统一理论模型,这一成果有望加速柔性电子领域的大规模应用。相关论文发表在1月27日出版的国际权威性学术期刊《自然-通讯》(Nature Communications)杂志上。

复旦大学等揭示有机薄膜晶体管稳定性机理

1月20日,顶级科学杂志《Nature》刊登了北京大学教授彭练矛和物理电子学研究所副所长张志勇课题组在碳纳米管电子学领域取得的世界级突破:首次制备出5纳米栅长高性能碳纳米管晶体管,并证明其性能超越同等尺寸硅基CMOS场效应晶体管,将晶体管性能推至理论极致。

中国化工仪器网 技术前沿】近日,中国科学院深圳先进技术研究院喻学锋研究员团队与深圳大学教授张晗、武汉大学教授廖蕾团队合作,在二维黑磷领域取得新进展,通过金属离子修饰的方法制备出高稳定性高性能黑磷晶体管。相关成果发表于材料学领域刊物《先进材料》上。论文作者是博士郭志男,单位是中科院深圳先进院。 近年来,与石墨烯一样拥有二维层状结构的黑磷展现出的电学和光学特性,被视为新的超级材料,其在晶体管、光电器件、催化和生物医学领域拥有巨大应用潜力。然而,黑磷的不稳定性限制了其在很多领域深入的研究和应用。为解决黑磷的这一难题,喻学锋团队曾先后基于配位化学和共价化学原理,有效提高了黑磷的稳定性。然而,如何在增强稳定性的同时,保持甚至提高黑磷的电学性能是当前该领域所面临的一个关键难题。 在本项研究中,研究团队发明了一种金属离子修饰黑磷的方法,通过阳离子-π相互作用,在溶剂中自由分散的金属阳离子可以自发的吸附到黑磷的表面,钝化黑磷中磷原子的孤对电子,进而极大提高了黑磷片层的稳定性。与此同时,金属离子的修饰过程相当于在黑磷中引入了更多的空穴,可调控本来双极性偏p型的黑磷的半导体特性,其空穴传导侧的输运性质得到进一步提升。如银离子修饰后,黑磷的载流子迁移率提高了一倍,开关比提高两个数量级。由于金属离子和黑磷之间是一种较弱的超分子相互作用,金属离子对黑磷的修饰过程较之前开发的化学方法更加可控,而且普适性更高,除银离子外,镁离子、铁离子、汞离子都可以实现对黑磷稳定性的增强和半导体特性的调控。 这种技术为制备高稳定性、高性能黑磷晶体管提供了一种简单有效的新方法,并可极大拓展黑磷在各种电子和光电器件领域的应用。 本项工作得到了国家自然科学基金、中科院前沿科学研究重点计划、深圳市孔雀团队、深圳市基础研究布局等项目的资助。 金属离子修饰黑磷示意图; 黑磷晶体管显微照片和结构示意图; 银离子修饰黑磷晶体管的载流子迁移率和开关比。 编辑点评 近年来,黑磷被视为新的超级材料,其在晶体管、光电器件、催化和生物医学领域拥有巨大应用潜力。深圳先进院等制备出离子增强型黑磷晶体管,为制备高稳定性、高性能黑磷晶体管提供了一种简单有效的新方法,并可极大拓展黑磷在各种电子和光电器件领域的应用,成功突破该新领域的一大难题。 (原标题:深圳先进院等制备出离子增强型黑磷晶体管)

style="font-size: 16px;">复旦大学的研究者揭示了导致有机薄膜晶体管性能变化的机制,为进一步改良以有机薄膜晶体管为代表的柔性电子技术开拓了前景,从可穿戴设备到纸币防伪,柔性电子技术将有望走进我们生活。

物联网和智能物品的“最核心”技术——柔性有机薄膜晶体管(OTFT)

本报讯复旦大学信息科学与工程学院副教授仇志军与教授刘冉领导的团队,在揭示有机薄膜晶体管性能稳定性机制上取得突破性进展,提出一种水氧电化学反应与有机薄膜载流子相互作用的统一理论模型,这有望加速柔性电子领域的大规模应用。相关论文近日在《自然—通讯》上发表。

2月27日,央视新闻频道播出了专题节目《神奇的石墨烯》,(石墨烯上CCTV啦!新闻频道专题节目《石墨烯到底有多神奇?》(附视频)),节目中提到,石墨烯有望替代硅,成为下一代芯片的主要材料。利用石墨烯制造新一代器件,也有望让我国的芯片制造业实现弯道超车,达到国际先进水平。

1965年,英特尔创始人之一的戈登·摩尔(Gordon E. Moore)提出,集成电路上可容纳的晶体管数目约每两年便会增加一倍。半导体技术已经以符合这种“摩尔定律”的趋势发展了数十年。然而,根据国际半导体技术发展蓝图组织(ITRS)的评估,这种发展势头将会减慢。而另一方面,有机薄膜晶体管(OTFT)作为印制电子关键技术,则在几年间获得了长足进展。

在过去的半个多世纪里,以集成电路为基础的信息技术突飞猛进,引发了人类生产和生活方式的深刻变革。随着半导体器件尺寸走向量子极限,传统的硅集成电路技术在未来10~15年可能走到尽头,支撑了集成电路半个多世纪发展的摩尔定律开始走向终结。

从2008年起,复旦大学联合瑞典乌普萨拉大学和瑞典皇家理工学院,开始针对有机薄膜晶体管展开系列研究,并发现如果对这些有机材料进行某种程度的修饰,比如采用碳纳米管掺杂的有机半导体材料,就可显著改善其电学性能。经过5年多的不断尝试、试验,该科研团队已成功将有机薄膜迁移率提高了四个数量级,接近多晶硅的水平。

众所周知,全球的集成电路产业一直在摩尔定律的“照耀”下沿着硅基的路线前行,但当主流的CMOS技术发展到10纳米技术节点之后,后续发展越来越受到来自物理规律和制造成本的限制,摩尔定律有可能面临终结。20多年来,科学界和产业界一直在探索各种新材料和新原理的晶体管技术,期望替代硅基CMOS技术,但到目前为止,并没有机构能够实现10纳米的新型器件,并且也没有新型器件能够在性能上真正超过最好的硅基CMOS器件。

有机薄膜晶体管研究可追溯到上世纪80年代。由于有机薄膜晶体管有良好的柔韧性,并具备厚度小、能弯曲等常规硅基微电子器件不易具备的特点,相关研究旋即受到广泛关注。复旦大学信息科学与工程学院仇志军副教授与刘冉教授领导的研究小组,继将有机薄膜晶体管的工作速度提升至可实用的量级后,又揭示了影响有机薄膜晶体管性能稳定性的本质机理。

在这种新的形势下,信息科技在后摩尔时代必须有新的基础性突破和发展。与此同时,人类社会将全面进入信息网络社会和知识文明时代,信息网络将成为人类最重要的基础设施和公共资源,成为国家、社会法人和个人重要的生存发展平台。信息科技也将步入信息网络、物理世界和人类社会三者动态交互、全面融合的物联网时代。

研究人员通过进一步研究、论证,最终找到导致有机薄膜晶体管性能发生变化的内在机理,提出水氧电化学反应与有机薄膜载流子相互作用模型。该模型为统一理论模型,不但可以解释低导电特性的OTFT器件,还可以解释类似碳纳米管和石墨烯之类具有高导电特性的薄膜器件,为将来OTFT的大规模应用提供了理论指导和依据。

碳基超越硅基?

目前有机薄膜晶体管的发展主要面临两大难题。“一个是迁移率的问题,有机薄膜晶体管导电能力差,因此应用起来就比较困难。另外一个问题在于可靠性,有机薄膜晶体管在应用时可能不稳定。”刘冉教授介绍道:“这些年在提高迁移率方面获得不少进展。近两年我们开始研究第二个问题。”

未来可以预见,世界上任何一个物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾,都可以通过物联网进行信息交换。在那时,射频识别技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术等将得到更加广泛的应用。

据介绍,目前复旦大学联合瑞典皇家理工学院研发出的一种柔性可穿戴医疗器件Bio-Patch,已经可以像创可贴一样贴在皮肤表面,并实时测量人体的心电以及体温信息。

2005年,国际半导体技术线路图(ITRS)委员会首次明确指出在2020年前后硅基CMOS技术将达到其性能极限。后摩尔时代的集成电路技术的研究变得日趋急迫,很多人认为微电子工业在走到7纳米技术节点之后可能不得不面临放弃继续使用硅材料作为晶体管导电沟道。在为数不多的可能替代材料中,碳基纳米材料被公认为最有可能替代硅材料。

此前国际上对导致有机薄膜晶体管不稳定性的原因众说纷纭,而复旦大学的研究者提出了一个相对具有普适性机制模型:

搭建物联网的基础是数以亿计的信息传感设备。由于柔性电子特有的弯曲性和可延展性,使其在与物的结合中发挥出重要的作用,成为桥接“物”与“云”的关键技术。正因如此,基于有机半导体材料和纳米材料等的柔性大面积电子技术在后摩尔时代得到迅猛发展。

刘冉表示,只要我国加大重视和增加研发投入,一定会在材料、器件以及系统集成方面取得突破,并充分发挥柔性大面积电子在物联网应用中的柔性、超薄、低成本、环保等优势,使其成为一个高技术、引领性的产业。

2008年ITRS新兴研究材料和新兴研究器件工作组在考察了所有可能的硅基CMOS替代技术之后,明确向半导体行业推荐重点研究碳基电子学,作为未来5~10年显现商业价值的下一代电子技术。美国国家科学基金委员会(NSF)十余年来除了在美国国家纳米技术计划中继续对碳纳米材料和相关器件给予重点支持外,在2008年还专门启动了“超过摩尔定律的科学与工程项目”,其中碳基电子学研究被列为重中之重。其后美国不断加大对碳基电子学研究的投入,美国国家纳米计划从2010年开始将“2020年后的纳米电子学”设置为3个重中之重的成名计划(signatureinitiatives)之一。除美国外,欧盟和其他各国政府也高度重视碳纳米材料和相关电子学的研究和开发应用,布局和继续抢占信息技术核心领域的制高点。

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与传统电子器件相比,柔性电子技术拥有众多优点:(1)器件可弯曲与伸展,由此可诞生众多新型应用领域;(2)可以在柔性和大面积衬底上采用大规模印刷技术加工实现,生产成本低廉;(3)加工设备简单,前期投入成本低;(4)加工过程属于低温工艺,工艺简单,不会对环境造成污染。

《中国科学报》 (2014-02-25 第4版 综合)

尼科西亚先进院等筹备出离子加强型黑磷晶体管,碳皮米管表示不服。碳纳米管材料中,最有可能替代硅的有两个,碳纳米管和石墨烯。在石墨烯获得诺贝尔奖之前,碳纳米管一直被认为是最有可能代替硅的半导体材料,而如今,由于石墨烯在全球范围内的狂热,似乎有代替碳纳米管之势,那么,石墨烯和碳纳米管,究竟谁能堪当大任呢?

有机薄膜晶体管不稳定性机制模型。

因此从某种意义上说,由于其与各种“物”良好的集成性和结合性,可以形成诸如智能包装、可穿戴的健康护理产品等,柔性电子技术成为促成物联网真正普及和大规模应用的“最核心”技术。大面积柔性有机薄膜晶体管(OTFT)和相关集成电路开始受到科研人员的青睐。

碳纳米管集成电路的研发优势与发展现状

暴露在空气中的有机薄膜晶体管会与空气中的水和氧气发生接触。在正向电压作用下,水分子和氧分子发生电化学反应,在器件表面形成带负电荷的氢氧根离子(OH﹣),这使得器件中带正电荷的载流子(器件中可自由移动的、带有电荷的物质微粒)被氢氧根离子束缚,导致器件无法正常工作。

早在上世纪80年代初,国外就有科学家开始尝试用有机半导体材料替代硅材料作为导电沟道,构成新型薄膜场效应晶体管(TFT),开创了有机薄膜晶体管(OTFT)研究。OTFT质轻,膜薄,具有良好的柔韧性,还可以大面积“印刷”在任意材料表面,达到大幅降低生产成本目的。不同于常规硅基微电子器件,OTFT具有加工工艺简单、成本低廉和易弯曲等优点而赢得广泛关注。

1991年,日本NEC公司的饭岛澄男在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时,意外发现了由碳分子组成的管状同轴纳米管,也就是现在被称作的碳纳米管CNT,又名巴基管。

而在施加反向电压后,由于氢氧根离子发生逆向反应,被束缚的载流子又重获自由,在器件中正常流动。“晶体管有一个非常重要的功能,就是逻辑操作。原来晶体管是开着的,给它赋予的是1的状态,但过一段时间突然从1这个状态跳到0,这是我们所不希望的。” 仇志军指出:“(载流子)一会儿被锁住,一会儿又会被释放出来,没法控制,所以导致稳定性比较差。”

但令人遗憾的是,当时器件载流子迁移率极低,只有10﹣5 cm2/Vs,远低于非晶硅材料,从而导致器件工作速度慢而且极易在空气中退化。材料中的迁移率是用来表征载流子(电子或空穴)在半导体材料内运动速度的快慢,迁移率越高,器件的运行速度也就越快。

碳管材料具有极为优秀的电学特性。室温下碳管的n型和p型载流子(电子和空穴)迁移率对称,均可以达到10000cm2/(V?s)以上,远超传统半导体材料。另外碳管的直径仅有1~3nm,更容易被栅极电压非常有效开启和关断。

这种描述水氧电化学反应和有机薄膜载流子间相互作用的模型,很好地解释了有机薄膜晶体管不稳定性的发生机制。根据这个模型,研究人员可能利用在有机薄膜晶体管的表面加合适的保护层等手段克服当前有机薄膜晶体管的不稳定性。

在过去近30年的研究过程中,各国科学家在材料、器件、系统集成以及制备工艺方面取得了一定进展,但仍面临诸多困难和挑战。与成熟的硅器件相比,目前OTFT的大规模应用存在两大障碍,一是电流驱动能力不够、迁移率低下,二是可靠性差、寿命短。

碳纳米管相对于硅材料的优点:

谈及有机薄膜晶体管在未来的应用,刘冉表示:“有机薄膜晶体管并不能取代硅的集成电路,但能够实现一些新的应用。”以有机薄膜晶体管为代表的柔性电子技术具有器件可伸展弯曲、加工设备相对简单、成本低廉等优点,在大面积的柔性显示设备及低成本的智能电子标签等领域具有广阔的应用前景。

国际前沿的领跑者

1)载流子输运是一维的。这意味着减少了对载流子散射的相空间,开辟了弹道输运的可能性。相应地,功耗低。

从可穿戴设备到纸币防伪,柔性电子技术将有望走进我们生活的方方面面。

从2008年起,复旦大学仇志军副教授与刘冉教授领导的科研团队联合瑞典乌普萨拉大学和瑞典皇家理工学院开始针对有机薄膜晶体管(OTFT)展开一系列的研究。近年来,该团队在有机半导体材料和器件研究方面取得骄人成果,并很快走到国际前沿,研究成果陆续刊登在Advanced Materials 、IEEE Electron Device Letters 、IEEE Transactions on Electron Devices 等国际知名学术期刊上,受到广泛关注。

2)所有碳原子的化学键都是链接的,由此,没有必要进行化学钝化工艺以消除类似存在于硅表面的悬挂键。这意味着碳纳米管电子不一定非得使用二氧化硅绝缘体,高介电常数和晶体绝缘体都可以直接使用。

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研究团队首先希望在器件运行速度上有所突破,达到可实用要求,并探索有机薄膜晶体管(OTFT)电学性能稳定性的本质机理。在实验过程中,他们发现如果对这些有机材料进行某种程度的修饰,比如,采用碳纳米管掺杂的有机半导体材料,就可显著改善OTFT的电学性能。经过五年多的不断尝试、试验,该科研团队已成功将有机薄膜迁移率从10﹣4 cm2/Vs提高到10 cm2/Vs左右,增加了四个数量级,接近多晶硅的水平,达到了可实用的量级。

3)强共价键结构能使碳纳米管具有较高的机械稳定性和热稳定性,且对电迁移有很好的抵抗力,可以承受的电流密度高达10A/cm。

大家可以穿着智能可穿戴设备进行锻炼。

但是还有一个根本性问题始终困扰着该研究团队——如何提高OTFT的性能稳定性。在解决该问题之前必须先了解“影响有机薄膜晶体管稳定性的内在机理究竟是什么”?研究团队决定打破砂锅问到底。

4)它们的关键尺寸,即直径,是由化学反应控制,而不是传统的制造工艺。

排版:小石头

机理性突破:“水氧电化学反应”引发的“海绵效应”

5)原则上,无论是有源器件(晶体管)还是互连联结线,都可以分别由半导体属性和金属属性的碳纳米管制成。

题图来源:图虫创意

国际上对有机薄膜晶体管(OTFT)性能非稳定性来源存在多种解释,然而尚未达成统一认识。一般认为,外界环境如水、氧以及光照和温度等都对OTFT的稳定性有着重要影响,导致器件性能发生变化。

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2013年,科研团队在原有的工作基础上,通过进一步研究、论证,最终找到导致OTFT性能发生变化的内在机理,提出水氧电化学反应与有机薄膜载流子相互作用模型(见图1)。

斯坦福大学研究组采用如(a)所示的碳纳米管阵列制备出了如(b)所示的世界上第一个碳纳米管计算机;(c)主要功能单元的扫描电子显微镜像

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图片 5图1:空气中的水氧分子与载流子相互作用示意图

碳纳米管半导体器件的研究进展:

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在大气环境下,空气中大量存在的水分子(H2O)和氧气分子(O2)会与OTFT发生直接接触。在正向电压作用下,水分子(H2O)和氧气分子(O2)开始“手拉手”发生电化学反应,器件表面迅速产生大量带负电荷的氢氧根离子(OH﹣)。与此同时,由于正负电荷相互吸引,使得有机半导体材料中带正电荷的“空穴”载流子被OH﹣牢牢“锁住”,缺少“空穴”的OTFT无法导通,也便无法正常工作。

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在施加反向电压后,氢氧根离子(OH﹣)发生逆向电化学反应,水分子(H2O)和氧分子(O2)重新被释放出来,之前被牢牢“锁住”的“空穴”便能在器件中自由“流动”。

近年来,基于碳纳米管的碳基电子学研究取得了飞速发展,并逐渐从基础研究转向实际应用。得益于材料自身的优良性质和世界范围的政策和资金支持,研发人员在碳纳米管的器件物理、器件制备、集成方法等方面都取得了相当的成就,达到了其他纳米材料从未达到过的高度。

整个过程犹如在一条不断流动的小溪里投掷大量的“海绵”。当海绵(在此形容水分子和氧分子)吸收水分之后(相当于在正向电压作用下束缚“空穴”载流子),小溪近乎干涸而无水流流动。当海绵受到挤压(相当于施加反向电压),海绵内的水再次回到河沟,小溪重新恢复流动。

研究进展表明碳基电子学器件相比传统硅基器件具有5~10倍的速度和能耗优势,可以实现5nm以下的半导体技术节点,满足2020年之后新型半导体芯片的发展需求。研发人员已经实现了具有各种功能的基础逻辑单元,原则上就可以利用这些逻辑单元制备出具有极高复杂程度的碳基集成电路。

实验结果表明,该模型为统一理论模型,不但可以解释低导电特性的OTFT器件,还可以解释类似碳纳米管和石墨烯之类具有高导电特性的薄膜器件,为将来OTFT的大规模应用提供了理论指导和依据。

《自然》杂志于2013年发表了美国斯坦福大学的研究人员采用178个碳纳米管晶体管制造出的的计算机原型。《MIT技术评论》于2014年报道了美国IBM公司表示将在2020年之前利用碳纳米管制备出比现有芯片快5倍的半导体芯片。美国IBM公司于相关媒体发表的结果表明,基于碳纳米管的半导体芯片在性能和能耗方面都比传统硅基芯片有显著改善:硅基半导体技术从7nm缩减到5nm节点,相应的芯片性能大约有20%的增加,而7纳米技术节点下的碳基半导体技术比硅基7nm的性能提高300%,相当15代硅基技术的改善。这些进展使半导体产业界看到了碳基电子学时代的曙光,有望将性能持续提高的摩尔定律延续到2050年。

加快“后摩尔时代”的到来

但是,碳纳米管也有限制,人工制造的碳纳米管是金属特性和半导体特性的混合体.这2种属性的碳纳米管相互“粘连”成绳索状或束状,使得碳纳米管的用途大打折扣,因为只有半导体特性的纳米管才有晶体管性能。现有的制备方法生产出的碳纳米管均为各种手性和不同管径的混合,手性和管径的不同,直接导致导电性质的不同,这使得碳纳米管在大部分实际应用存在许多困难。

整整五十年前的1964年,世界上第一块商用数字MOS集成电路诞生。这是曾经冲击市场的最差的产品之一:相当大的一部分产品没几天就不能工作了。直到人们对MOS晶体管的表面物理性质有了更深入的理解,发现其中部分原因在于:二氧化硅绝缘介质中存在钠、钾等可动离子电荷,并且这些电荷受电压等外界因素影响。此后,稳定的MOS晶体管才被制造出来,第一次晶体管技术革命随即到来。

彭练矛教授在接受采访时透露,目前IBM在碳纳米管研究方向上采用的是掺杂制备方法,而彭练矛与张志勇课题组采用的是无掺杂制备方法,这是全球首创的,他们课题组经过10多年的研究,开发出无掺杂制备方法,研制的10纳米碳纳米管顶栅CMOS场效应晶体管,其p型和n型器件在更低工作电压(0.4V)下,性能均超过了目前最好的、在更高工作电压(0.7V)下工作的硅基CMOS晶体管。现在,他们又克服了尺寸缩小的工艺限制,成功开发出5纳米栅长碳纳米晶体管,其性能接近了由量子力学原理决定的理论极限。

随着对硅表面特性的彻底掌握,人们已经可以制备近乎完美的二氧化硅介质。“只有到MOS晶体管的功能设计完美时,才会永久地开启它的时代。”如今,MOS晶体管在集成电路器件中占据主导地位,每年生产的MOS晶体管的数量已远远超过世界上蚂蚁的数量,据统计,半导体制造商每年为世界上每个人生产大约十亿个晶体管。

石墨烯场效应晶体管的研究现状和进展

可以预见,有机薄膜晶体管(OTFT)将与MOS晶体管的一样,具有“里程碑”意义。复旦大学科研团队在OTFT方面的系列研究,特别是稳定性机理方面的突破,将加快“后摩尔时代”的到来。

石墨烯是一种二维碳结构材料,因为其具有零禁带特性,即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为微米级,所以是一种性能优异的导电材料。石墨烯场效应器件最重要的挑战之一是如何增加带隙,而又不降低它非常高的迁移率。

应用前景广阔

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在那些对芯片本身性能要求不高,但能大面积灵活使用的应用领域中,比如平板显示和驱动、医学成像、穿戴设备、智能包装、纸币防伪、大面积传感器以及照明等方面,有机薄膜晶体管(OTFT)已经呈现出广泛应用前景。

石墨烯晶体管与传统的硅半导体晶体管相比,有以下特点:

目前,复旦大学联合瑞典皇家理工学院研发出的一种柔性可穿戴医疗器件Bio-Patch,已经可以像创可贴一样贴在皮肤表面,并实时的测量人体的心电以及体温信息。随着物联网基础条件的不断成熟,未来可穿戴智能医疗器件将越来越多的进入普通人的生活,为人们的生活方式以及医疗保健带来重大变革。

(1)在电场的调控下,石墨烯中的载流子类型能够在电子和空穴间连续变化,具有双极型导电性。因此GFET无法像传统半导体晶体管那样被有效地关闭,不适于作逻镇器件。但采取一些新型的结构也能得到基于石墨締的高开关电流此的器件;

传感器是实现物联网不可缺少的基本组成部分之一。要将世界的万事万物联系在一起,必须通过功能各异的传感器感知并传递周围环境信息,而物联网技术的发展和成熟也对传感器提出了新的要求。低成本,低功耗,可印刷的柔性薄膜传感器的市场需求将在未来十年中急剧增加。

(2)石墨烯的载流子迁移率很高,而且可W被电场调控,在高频领域,尤其在射频(RF)领域中有很大的应用潜力。

由于理论上单个有机分子就可构成一个功能器件,因而OTFT还有可能实现超高密度和超大容量存储。低成本、易加工、组成结构多变、可折叠、小体积、快响应、低功耗和高存储密度等优点使得OTFT在未来信息存储和逻辑电路方面有着非常广阔的应用前景。

(3)石墨稀本身为二维材料,有利于缩小电路尺寸和电路的集成。CVD制备的石墨烯可被转移到任意衬底上,有利于制备石墨烯与其他材料的异质结,研究新的物理现象和新的电子器件。

未来,随着有机薄膜晶体管(OTFT)运行速度的不断加快,透明可弯曲的手机、透明可收卷的电视,乃至可显示新闻股市和天气的车窗都可以成为现实。

石墨烯优于碳纳米管的是,在制造碳纳米管的工艺中,会生成金属和半导体材料的碳纳米管混合物,在制作复杂电路时,碳纳米管必须经过仔细筛选和定位,目前还没有开发出非常好的方法,而这对石墨烯而言则要容易得多。这种独特的电性能使石墨烯作为一种替代材料在许多新的领域得到应用。

把握技术发展主动权

高电子/空穴迁移率和对称的能带结构使得石墨烯非常适合制作高频晶体管,虽然石墨烯导电能力极佳,但它缺乏能隙,即石墨烯中没有“电子态无法存在的禁带”的能量范围,限制了它作为开关器件方面的应用,而石墨烯纳米带(GNR)可以打开石墨烯的能隙,因此,类半导体的GNR引起了人们的极大关注,激发科学家研制全石墨烯电路的广泛兴趣。

作为推动“物联网”最核心硬件技术的柔性和可穿戴电子领域,世界上还没有任何一个国家和地区拥有绝对的技术优势,而且其生产设备的投资远远低于传统硅芯片生产所需的几十甚至上百亿美元的投入。只要我国加大重视和增加研发投入,一定会在材料、器件以及系统集成方面取得突破,并充分发挥柔性大面积电子在物联网应用中的柔性、超薄、低成本、环保等优势,使其成为一个高技术、引领性的产业。

据报导,曼切斯特大学AndreGeim小组,除了已开发出了10nm级可实际运行的石墨烯晶体管外,他们尚未公布的最新研究成果还有,已研制出长宽均为1个分子的更小的石墨烯晶体管,该石墨烯晶体管实际上是由单原子组成的晶体管。

现在,复旦大学的科研团队通过校内外跨学科力量的合作,充分发挥研究型大学的学科优势和人才优势,从系统设计、集成器件、微纳加工等三个方向,不断提升自主创新的能力,继续突破柔性电子系统的核心技术,积极为后摩尔时代的柔性电子行业做好技术开发和储备。

2008年IBM公司的Watson研究中心在世界上率先制成低噪声石墨烯晶体管。普通的纳米器件随着尺寸的减小,被称做1/f的噪音会越来越明显,使器件信噪比恶化,这种现象就是“豪格规则(Hooge'sLaw)”。石墨烯、碳纳米

管以及硅材料都会产生该现象,因此,如何减小1/f噪声成为实现纳米元件的关键问题之一。IBM通过重叠2层石墨烯,试制成功了晶体管。由于2层石墨烯之间生成了强电子结合,从而控制了1/f噪音。IBM公司的Ming-YuLin的该发现证明,2层石墨烯有望应用于各种各样的领域。

2008年5月美国乔治亚科技学院德希尔与麻省理工学院林肯实验室合作在单一芯片上生成的几百个石墨烯晶体管阵列。

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,所产生的热量也非常少。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,由石墨烯制造的电子产品运行的速度要快得多。

石墨烯器件制成的计算机的运行速度可达到太赫兹,即1×106kHz的1000倍,如果能进一步开发,其意义不言而喻。

除了让计算机运行得更快,石墨烯器件还能用于需要高速工作的通信技术和成像技术。有关专家认为,石墨烯很可能首先应用于高频领域,如太赫兹波成像,用途之一是用来探测隐藏的武器。速度还不是石墨烯的唯一优点,硅不能分割成小于10nm的小片,否则其将失去诱人的电子性能。与硅相比,石墨烯分割成1nm小片时,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。

结论:硅材料鹿死谁手还未可知

1)硅电子材料的发展已接近顶峰,碳纳米管和石墨烯有比硅材料器件更小的尺寸和更优良的电学性质,很有可能在未来取代硅材料。

2)碳纳米管性质优良而且发现较早,人们对其制取及构建器件的方法的研究比较深入,并取得了一些成果,足以证明碳纳米管有构建实用微电子器件的条件,但传统的构建器件的方法存在一些问题,而且对不同碳纳米管的分离是最大的挑战,实现碳纳米管集成电路仍需一定时间的探索。

3)石墨烯与碳纳米管一样具有优良的性质,而且构建器件时不必经历复杂的分离过程,比碳纳米管实用性更强,在制备上也取得了一定的突破,但其发现较晚,在器件制备上还有待探索。在未来,二者可能共同成为构成集成电路的主导材料。

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