前言：之前為大家介紹了碳單質的幾種形式，其中說到石墨烯引起了科學家們的廣泛興趣。今天，小墨就帶大家進一步了解石墨烯和他的二維材料家族，以及它們在電子學方面的應用前瞻。
撰文 | 林梅
硅基半導體時代
我們處在一個用硅構建的時代——我們手上拿的手機、辦公用的電腦、家里的家用電器、馬路上奔跑的汽車，沒有哪一樣離得開精密而集成化的半導體電路。而如今小巧的低功耗的半導體晶體管電路之所以能全面取代傳統的、蠢笨的、高功耗的電子管，就是得益于硅這個材料的電子學性質。
1947年，美國貝爾實驗室肖克利、巴丁、布拉頓組成的研究小組發現硅可以做成一個電子學開關，三年后，第一只“PN結型晶體管”誕生，微電子學拉開序幕。之后的幾十年，越來越集成的微電子技術徹底改變了人們生活的面貌。
圖1 William Shockley (中), John Bardeen（左）, and Walter Brattain（右）, 1948.
圖片來源： AT&T Archives and History Center
圖2 第一個點接觸型的鍺晶體管
圖片來源：wordpress
那么，這些半導體是怎樣施展魔法的呢？
所謂半導體，就是說他的性質介于導體和絕緣體之間，隨著外界條件（比如電壓）的變化，可以變身導體或絕緣體。如果電路里有個小薄層是這樣的半導體，那么我們就可以控制這個電路的開和關，也就是對應邏輯上的0和1。
大家一定記得大學時候學過的各種半導體器件，什么P型半導體、N型半導體、PN結、場效應管等等。無非都是利用半導體材料的性質制成各種器件，只要我們控制電壓等一些外部條件，就可以控制電路的電流等各種電學狀態，最終實現各種邏輯運算。
上世紀六十年代前后，兩家公司幾乎同時制造出了集成電路——一個芯片上集合很多個電子開關，完成復雜的計算功能。從此，人類在集成電路的道路上一發不可收拾，人們希望在同樣大小、同樣功耗的情況下，完成盡可能強大的計算，這種野心和期待集中體現在1961年的Moore定律——每過十八個月，芯片密度和就會增加一倍，如果這種趨勢繼續下去，將是一個激動人心的指數增長。
圖3 第一個集成電路
圖片來源：wordpress
Moore定律失效？
可是，人類一得意，上帝就發笑。在芯片集成的道路上，人們漸漸意識到極限的存在。
目前大規模集成電路都是以金屬-氧化物-半導體（metal oxide semiconductor,MOS）晶體管為主要有源器件構成的。一個增強型MOS場效應晶體管靠調節柵極和源極間的電壓來控制溝道區電導率，進而控制漏極電流的開和關。但是，隨著器件越做越小，情況變得不可控起來——溝道區長度與厚度比過小的話，電流很容易從溝道區遠離門電極的部分漏過去，漏極電流的開和關不再被有效控制。
所以，人們特別想找到一些材料，既能越來越薄，甚至薄到原子級別，又能很好的保持半導體性質。這個時候，二維材料粉墨登場。
二維材料的電子能帶結構和三維的母體材料往往有很大不同，里面的電子可能具有新的物理規律，按照新的能級運動，并且由于薄層的緣故，原子都暴露于表面，往往更容易被調控。
石墨烯是一個典型的二維材料，厚度在原子級別，那么它有沒有什么好的類似場效應管的性質可以為我們所用呢？我們來了解一下它。
石墨烯場效應管
首先，石墨烯有一個非常棒的特性——電子高遷移率。我們知道，載流子的遷移率對于輸運效果有直接的影響，高遷移率意味著載流子有更快的擴散速度，也就對應更好的導電性、更快的響應頻率、更小的能量損耗。實驗表明，現在晶體管主要材料硅的遷移率大約在1400cm2／(V·s),而石墨烯中電子的遷移率要比它高出至少一個數量級。更難能可貴的是，石墨烯的電子遷移率幾乎不怎么隨溫度變化。
最神奇的是，石墨烯中的電子，即使遇到勢壘（比如能量抬升較高的電壓），也可以變身為反粒子，毫無障礙地100%隧穿過去。利用這個性質，人們可以調整電壓，分分鐘將n型摻雜石墨烯變成p型摻雜石墨烯。
但是，石墨烯之所以還沒有被大規模應用到半導體技術，是因為制約石墨烯成為一個場效應管有一個最大瓶頸——它的帶隙問題。這是什么意思呢？
對于傳統的半導體材料，控制導電與否，靠的是導帶和價帶之間帶隙的存在。半導體材料里，導帶和價帶都對應電子的能量空間，電子在導帶和價帶中都可以自由運動，能導電；但導帶和價帶之間存在一個能量間隔——帶隙，電子的能量在帶隙中時，是沒法自由運動的。通過控制半導體中電子的能量（通常用門電極來實現），就可以實現半導體的開關。
但是，石墨烯是一個零帶隙的半導體，價帶和導帶是相交的，不存在分開兩種能帶的帶隙，所以石墨烯制成的器件溝道無法實現有效的開關控制，很多人因此認為，它不適合邏輯電路的應用。
當然，人們在這方面沒有放棄過努力，人們深入研究了石墨烯的電子結構，發現打開它的帶隙不是沒有可能的。比如，制造石墨烯納米帶、雙層石墨烯加偏壓、對石墨烯進行摻雜、施加壓力，都是可能實現的手段。
繼2004年石墨烯的場效應被報道之后，很快，在2007年，第一個頂柵結構的雙層石墨烯場效應管也被報道。這是一個石墨烯晶體管發展的里程碑，遺憾的是，這樣能打開的能隙太小，開關效果很難達到實際需要。
石墨烯的姐妹們
雖然石墨烯的帶隙表現不盡如人意，但是它給了人們很大的啟發——既然二維材料與母體三維材料可能具有完全不同的電學性質，那么其他的二維材料有沒有適合制作半導體器件的呢？
科學家發現，一些二維的硫化物、金屬氧化物都可能具有這樣的前景。
比如，在2010 年，MoS2 進入了科學家的視野。人們發現，單層的MoS2 具有1.8 eV的直接帶隙，一年后，高質量的單層MoS2場效應管也首次被制備了出來，開關比達到10E8（傳統具有實際應用價值的硅MOSFET開關比大約在10E4~10E7），但是遷移率偏低，只有大概100cm2／(V·s)。
