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用肯塔基州東南部開采的藍(lán)色寶石煙煤加工而成的高質(zhì)量二維碳制造的含有憶阻器的晶片，圖中展示了兩個樣品。資料來源：伊利諾伊大學(xué)香檳分校 Grainger 工程學(xué)院

伊利諾伊大學(xué)香檳分校、國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和臺灣半導(dǎo)體制造公司（TSMC）聯(lián)合開展的一項(xiàng)研究表明，煤炭在下一代電子設(shè)備中可以發(fā)揮重要作用。

伊利諾伊大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授、該合作項(xiàng)目的共同負(fù)責(zé)人 Qing Cao 說："人們通常認(rèn)為煤是又笨又臟的東西，但我們開發(fā)的加工技術(shù)可以將煤轉(zhuǎn)化為只有幾個原子厚的高純度材料。它們獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和特性非常適合制造一些性能優(yōu)于最先進(jìn)技術(shù)的最小電子器件。"

NETL開發(fā)的一種工藝首先將煤炭轉(zhuǎn)化為被稱為"碳點(diǎn)"的納米級碳盤，I.U.研究小組證明這種碳盤可以連接起來形成原子級薄膜，應(yīng)用于二維晶體管和憶阻器，這些技術(shù)對于構(gòu)建更先進(jìn)的電子器件至關(guān)重要。這些成果發(fā)表在《通信工程》雜志上。

完美的二維電子器件

在不斷尋求更小、更快和更高效電子器件的過程中，最后一步將是使用只有一或兩個原子厚度的材料制造器件。設(shè)備的尺寸不可能小于這個極限，而小尺寸往往使其運(yùn)行速度更快，能耗更低。雖然超薄半導(dǎo)體已被廣泛研究，但要構(gòu)建晶體管和憶阻器等工作電子器件，還需要原子級薄的絕緣體--阻斷電流的材料。

具有無序原子結(jié)構(gòu)的原子級碳薄層可以作為構(gòu)建二維設(shè)備的絕佳絕緣體。合作研究人員已經(jīng)證明，這種碳層可以由煤炭中提取的碳點(diǎn)形成。為了證明他們的能力，Cao 領(lǐng)導(dǎo)的伊利諾伊大學(xué)小組開發(fā)出了兩種二維設(shè)備。

Cao說："這確實(shí)令人興奮，因?yàn)檫@是煤炭這種我們通常認(rèn)為技術(shù)含量不高的東西第一次直接與微電子學(xué)的尖端技術(shù)聯(lián)系在一起。"

晶體管電介質(zhì)

研究小組在基于半金屬石墨烯或半導(dǎo)體二硫化鉬的二維晶體管中使用煤炭衍生的碳層作為柵極電介質(zhì)，使設(shè)備的運(yùn)行速度提高了兩倍多，同時能耗更低。與其他原子級薄材料一樣，煤炭衍生的碳層不存在"懸空鍵"或與化學(xué)鍵無關(guān)的電子。傳統(tǒng)的三維絕緣體表面存在大量的這些位點(diǎn)，它們通過有效地發(fā)揮"陷阱"的作用而改變了絕緣體的電氣特性，減緩了移動電荷的傳輸速度，從而降低了晶體管的開關(guān)速度。

然而，與其他原子級薄材料不同的是，新型煤碳層是無定形的，這意味著它們不具有規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)。因此，不同結(jié)晶區(qū)域之間沒有邊界，而這些邊界是導(dǎo)致"漏電"的傳導(dǎo)路徑，即不希望有的電流流經(jīng)絕緣體，并在設(shè)備運(yùn)行期間造成大量額外功耗。

晶體管燈絲

小組考慮的另一項(xiàng)應(yīng)用是憶阻器--一種既能存儲數(shù)據(jù)又能對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的電子元件，可極大地促進(jìn)人工智能技術(shù)的實(shí)施。這些器件通過調(diào)節(jié)一對電極之間的電化學(xué)反應(yīng)形成的導(dǎo)電絲來存儲和表示數(shù)據(jù)，中間夾著絕緣體。

研究人員發(fā)現(xiàn)，采用超薄煤炭衍生碳層作為絕緣體，可以快速形成這種低能耗的導(dǎo)電絲，從而以較低的功率實(shí)現(xiàn)較高的設(shè)備運(yùn)行速度。此外，這些煤衍生碳層中的原子尺寸環(huán)還能限制絲狀物，從而提高設(shè)備運(yùn)行的可重復(fù)性，從而增強(qiáng)數(shù)據(jù)存儲的保真度和可靠性。

從研究到生產(chǎn)

新開發(fā)的器件為在二維器件中使用煤衍生碳層提供了原理證明。剩下的工作就是證明這種器件可以大規(guī)模制造。

Cao說："半導(dǎo)體行業(yè)，包括我們在臺灣半導(dǎo)體公司的合作者，都對二維器件的能力非常感興趣，我們正在努力實(shí)現(xiàn)這一承諾。未來幾年，I.I.大學(xué)將繼續(xù)與 NETL 合作，開發(fā)一種可在工業(yè)環(huán)境中實(shí)施的煤基碳絕緣體制造工藝。"