目前,，我們使用的芯片主要是硅基芯片,，也就是說芯片是由硅材料制成的,。隨著電子產(chǎn)品變得越來越小,，芯片也逐漸變小,。這就為硅基芯片帶來了問題：硅基芯片真的不能再小了,，電子管也不能再小了,。

用石墨烯代替硅

既然硅基芯片已經(jīng)走向了瓶頸,，為了解決問題,，很多科學家把目光投向其他材料。天津大學和美國佐治亞理工學院的聯(lián)合研究團隊開發(fā)出世界第一個石墨烯功能半導體,。這項研究發(fā)表在 2024 年 1 月 3 日的《自然》雜志上,。

石墨烯是優(yōu)質(zhì)的芯片材料，乃至多種半導體材料的候選人,，但為什么過去幾十年來,，從沒人用石墨烯為材料來制作芯片呢？原因在于,，石墨烯沒有合適的帶隙,，換句話說,，石墨烯不能像其他材料的半導體元件那樣，通過外加電壓或光照來控制電流的開關,。這就限制了石墨烯元件的使用,。

為此，中美研究團隊想到了一種特殊的“熔爐”—— 準平衡退火方法,。利用這種特殊的熔爐,，研究團隊使石墨烯在碳化硅晶圓上生長出來，生長出外延石墨烯,，從而使石墨烯體現(xiàn)出類似半導體的特性,。為采用石墨烯為材料制造芯片，搬開了最后一塊絆腳石,。

2011 年,，IBM 公司研發(fā)出世界首個石墨烯集成電路。這個集成電路被應用于無線電收音機,，但研發(fā)人員依舊沒有解決帶隙的問題,。（圖片來源：IBM）

摩爾定律不會終結

1965 年，英特爾公司的聯(lián)合創(chuàng)始人戈登?摩爾（Goldon Moore）預言,，處理器的計算速度大約每兩年翻一倍,。這就是“摩爾定律”。

摩爾定律當時只是摩爾的一個預測,，不過后來計算機行業(yè)的發(fā)展也確實按照摩爾的預測來的,。電子元件越來越小，使用的芯片也隨之變小,，芯片的速率卻越來越快了,。不過，花無百日紅,，萬事都有個度,。芯片的發(fā)展也是如此，因為芯片上集成的晶體管的大小已經(jīng)接近了極限,，真是不能再小了,，否則就會受到量子效應的干擾。

那么問題來了,，對于現(xiàn)在的硅基芯片來說,，晶體管不能再小了，芯片上不能集成更多的晶體管,，如何繼續(xù)提升芯片的速率,？摩爾定律即將終結了嗎？

正因如此,，科學家才開始尋找新的替代材料,。這次中美科學家開發(fā)出的首個石墨烯功能性半導體就能完美解決這一問題,。經(jīng)過研究團隊的測量，在室溫條件下,，石墨烯功能半導體的遷移率高達 5000cm2?/Vs,，比硅基半導體高 10 倍，與其他二維半導體相比也高了 20 倍,。而且,，它的帶隙為 0.6eV，完全克服了石墨烯材料帶隙的問題,。

更高的遷移率意味著更快的切換速度,。也就是說，如果用石墨烯制造芯片,，芯片的計算速度將更快,，GPU、CPU 這樣的設備可以更高效地完成任務,。

這項研究的負責人之一、佐治亞理工學院的物理學教授沃爾特?德?黑爾（Walter de Heer）用了這樣一個比喻來形容石墨烯功能半導體的優(yōu)勢,，他把石墨烯功能半導體比作高速公路,，而諸如硅基半導體的其他半導體則是石子路，很顯然在高速公路上行車的效率更高,，車輛不會過快升溫,，更重要的是速度更快。

那么,，如果用石墨烯制造芯片,，芯片將擁有更快的速率。這樣,，也就不必再在大小有限的芯片上集成更多的晶體管了,。換句話說，摩爾定律不會終結,。

不僅如此,，在化學性質(zhì)、機械性能和熱性能方面,，石墨烯材料也比傳統(tǒng)的材料更有優(yōu)勢,。