石墨烯功能半导体首发

更小更快可用于量子计算

石墨烯是由已知最强的键连接在一起的单层碳原子。半导体是在特定条件下导电的材料，是电子设备的基本部件。目前，为满足越来越快的计算速度和越来越小的电子设备的需求，现代电子产品常用材料—硅，已经达到了极限。为此，中国天津大学和美国乔治亚理工学院的研究人员用石墨烯制成了世界上第一个功能性半导体。这种半导体与传统的微电子加工方法兼容，这也是替代硅的必要条件。

研究人员早期就开始探索碳基材料的半导体潜力，2001年转向石墨烯研究。石墨烯是一种非常坚固的材料，可处理非常大的电流，团队希望将石墨烯的特性引入电子学。据悉，该团队克服了困扰石墨烯研究几十年的最大障碍，以及许多人认为石墨烯电子器件永远不会奏效的原因——“带隙”。石墨烯电子学中长期存在的问题是石墨烯没有合适的带隙，并且无法以正确的比率打开和关闭。多年来许多人尝试用各种方法来解决这个问题。而在最新研究中，该团队的技术实现了带隙，这是开发基于石墨烯的电子产品的关键一步。

具体而言，研究团队在使用特殊熔炉在碳化硅晶圆上生长石墨烯时取得了突破。他们生产了外延石墨烯，这是在碳化硅晶面上生长的单层。研究发现，当制造得当时，外延石墨烯会与碳化硅发生化学键合，并开始表现出半导体特性。但要制造功能性晶体管，必须对半导体材料进行大量操作，这可能会损害其性能。为了证明他们的平台可作为可行的半导体发挥作用，该团队需要在不损坏它的情况下测量其电子特性。他们将原子放在石墨烯上，利用掺杂技术向系统“捐赠”电子，用来观察该材料是否是良好的导体——它能在不破坏材料或其特性的情况下工作。

该团队的测量表明，他们的石墨烯半导体的迁移率是硅的10倍。换句话说，电子以非常低的阻力移动，这在电子学中意味着更快的计算。最后研究人员还称，外延石墨烯可能会导致电子领域的范式转变，并允许利用其独特特性的全新技术。这种材料可以利用电子的量子力学波动特性，这是量子计算的必要条件。

测量表明，石墨烯半导体的室温电子迁移率是硅的十倍。这意味着更快的切换速度，可能使得GPU、CPU等设备更高效地完成运算任务。此外，与传统材料相比，石墨烯半导体强大的化学、机械和热性能可以增强电子产品的耐用性和可靠性。

中国石墨烯也有新发现

有望应用于光电调制器和光电芯片

近日，中国科学院物理研究所、国家纳米科学中心等单位的科研人员通过研究三层石墨烯的菱形堆垛结构取得了重要突破。他们发现，在菱形堆垛三层石墨烯中，电子和红外声子之间具有强相互作用，该发现有望应用于光电调制器和光电芯片等领域。

近年来，三层石墨烯引发了研究人员的广泛关注。通常，三层石墨烯可呈现出两种不同的堆叠几何构型，分别是菱形堆垛和Bernal堆垛。研究人员表示：“这两种堆垛的三层石墨烯具有完全不一样的对称性和电子特性，比如中心对称的菱形堆垛的三层石墨烯具有位移电场可调的能隙，并可展现出一系列Bernal堆垛三层石墨烯不具有的关联物理效应：莫特绝缘态、超导和铁磁等。”

实际应用

石墨烯纳米带环氧涂层

对于冬季飞行来讲，影响飞行安全的重要天敌就是飞机机翼结冰。当飞机停在机场时，工作人员可以利用专用的除冰液会对机翼进行除冰作业，但当飞机在高空飞行遭遇结冰时，目前还没有一个理想的解决方案出现。近日美国德克萨斯州莱斯大学的科学家创建出一种全新的石墨烯纳米带环氧涂层，在被施加电压后，能通过产生的电热实现覆冰的融化。研究人员将环氧树脂涂层与石墨烯纳米带相结合。石墨烯纳米带是由单层碳原子组成的二维晶体，研究人员制备的这种扁平的石墨烯纳米带具有极好的导电性能。

在实验室测试中，研究人员将温度设置在零下20℃，并在直升机旋翼桨叶的边缘涂上环氧树脂涂层，当涂层被施加了一个小小的电压，该涂层表面就产生了温度高达93℃的电热，能融化1厘米多厚的覆冰。另外这种涂层还能为飞机提供电磁屏蔽层，帮助保护飞机免受雷击。

石墨烯材料

用手套箱进行安全研发

1、生物相容性：羧基离子的植入可使石墨烯材料表面具有活性功能团，从而大幅度提高材料的细胞和生物反应活性。石墨烯呈薄纱状与碳纳米管的管状相比，更适合于生物材料方面的研究。并且石墨烯的边缘与碳纳米管相比，更长，更易于被掺杂以及化学改性，更易于接受功能团。

2、氧化性：可与活泼金属反应。

3、还原性：可在空气中或是被氧化性酸氧化，通过该方法可以将石墨烯裁成小碎片。石墨烯氧化物是通过石墨氧化得到的层状材料，经加热或在水中超声剥离过程很容易形成分离的石墨烯氧化物片层结构。

虽然石墨烯的结构相对稳定碳碳键（carbon-carbon bond）仅为1.42，但鉴于其化学性依然需要一个安全的实验环境：石墨烯手套箱

Lab2000手套箱是一套高性能、高品质的自动吸收水、氧分子，纯化工作环境的密闭循环工作系统，提供可以满足您特定清洁要求应用的1ppm的O₂和H₂O惰性的氛围环境。该系统是为石墨烯研究开发而设计的经济型循环净化系统：包括一台密闭箱体、一套过渡舱，一台旋片式真空泵和一套集成有微控制器操作面板的循环净化系统。标准的Lab2000系统配备的惰性气体净化系统安装一套净化柱（全自动可再生）净化、维护手套箱箱体内的气体环境。