研究人员展示了第一个功能性石墨烯半导体。这一发现可能会永远改变计算机和电子学。科学家们在电子学方面取得了突破，创造了世界上第一个由石墨烯制成的功能半导体。石墨烯是一种以坚韧、柔韧、轻便和高电阻而闻名的材料。

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他们的发现正值制造几乎所有现代电子产品的材料硅达到极限之时。

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科学家们一直在竞相开发石墨烯半导体，因为与硅相比，石墨烯具有更高的速度和能效。

这项研究发表在1月3日的《自然》杂志上，展示了一种适用于纳米电子学的功能性石墨烯半导体。

作者说，这一发现可能标志着迈向下一代计算的重要一步，并为构建电子产品的新方式打开了大门。

“我们不知道这将在哪里结束，但我们知道我们正在为电子产品的重大范式转变打开大门。石墨烯是下一步。谁知道接下来的步骤是什么，但石墨烯很有可能成为未来50年的典范，”来自美国佐治亚理工学院的主要作者沃尔特·德·希尔在一次新闻发布会上说。

硅半导体已经达到了极限

经典的计算机，比如你的手机或笔记本电脑中的芯片，使用电流通过硅开关来表示1和0——也被称为比特。

“半导体对于所有计算机的运行都是必不可少的。它们使我们能够制造出微小的开关，可以打开和关闭，以允许电流流动。正是这种流经电路的电流使计算机能够进行计算，”英国曼彻斯特大学材料国家石墨烯研究所教授Sarah Haigh说。

我们每次使用信用卡、发动汽车、打开公共汽车和火车的门，当然还有使用智能手机或笔记本电脑时，都会用到硅半导体。

但硅半导体有其局限性，这促使科学家们寻找一种新的材料。

黑格告诉德国之声:“硅电子产品需要相当大的功率和能量，包括当能量以热量的形式发射时冷却电子产品所需的能量。”

石墨烯:神奇材料

一种选择是石墨烯。石墨烯是单层碳原子——一种由已知最强化学键连接在一起的二维材料。这些碳排列成镶嵌的六边形，很像蜂巢。

它是一种非常坚固的材料，比钢的强度高200倍。它非常坚固，你可以用一层石墨烯原子支撑起一个足球。

石墨烯还具有令人难以置信的柔韧性，非常适合用于电子设备和电池，甚至可以印刷在玻璃、塑料或织物上。

但它作为一种更快、更节能的半导体的潜力最让科学家们兴奋。

黑格说:“在不需要大量能量的情况下，保持石墨烯非凡的速度和电子传导效率的可能性，为它用于制造“超硅”电子产品提供了巨大的潜力，在这种电子产品中，计算机运行速度更快，能耗更少。”

第一个功能性石墨烯超导体

石墨烯有很大的缺点，这阻碍了它在电子领域的应用。其中一个主要问题被称为“带隙问题”。

黑格说:“十多年来，该领域的科学家一直在努力实现石墨烯在电子电路中的卓越导电性。”

带隙是一个关键的电子特性，它允许半导体开关。直到现在，石墨烯还没有带隙。

De Heer的团队找到了在特殊碳化硅芯片上生长石墨烯的方法。这项研究花了十年的时间，研究小组改进了材料，改变了石墨烯的化学性质，直到他们获得了完美的结构。

最后，石墨烯就像一种可以与硅相媲美的高质量半导体。

“石墨烯的好处在于，你不仅可以让东西变得更小、更快、散热更少，而且你实际上利用了硅中无法获得的电子特性。所以这确实是一个范式的转变——这是一种不同的电子产品制造方式。”

更快，更节能的电子产品

专家表示，这项创新为电子行业带来了巨大的潜力。首先，它可以让我们创造出更强大的新型石墨烯半导体，但比硅半导体消耗更少的能量。

“石墨烯电子产品效率更高，因为它们需要更少的能量来开关。它们还允许电子流动，而不会产生大量不必要的热量，这些热量必须用风扇冷却(需要能量)。”

黑格补充说:“这意味着手机可以连续使用数周而不会耗尽电池，减少我们生活中各个方面的能源消耗，降低成本和化石燃料的污染。”

De Heer说他的发现可能会改变电子学的未来。

首先，新的石墨烯超导体可以加速量子计算技术的发展。

量子计算机可以在几秒钟内解决普通超级计算机需要几千年才能解决的问题，但它们仍在发展中。

专家表示，石墨烯半导体可以帮助克服制造量子计算机的许多挑战。

编辑:Michaela Cavanagh。