石墨烯是什么？为什么说有望改变整个时代？

1. 石墨烯是什么？为什么说有望改变整个时代？

 石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成 的只有一层原子厚度的二维材料，呈六角型如蜂巢状的平面薄膜，实际上就是讲多层的石墨中的其中一层，那就是石墨烯。
      因为一种全新的材料发现，基本上都改变了时代的进程，比如铁的发现，人类进入铁器时代，农耕水平大幅度提升，硅的发现使人类进入了信息时代，让普通人也能使用电脑、手机。不过需要知道的是，当然不是因为石墨烯的发现导致了时代的改变，而是石墨烯的特性很有可能改变时代！
   目前发现已知材料中最薄、强度最大、导电导热性能最好的新型纳米材料；
    超薄，厚度为0.335nm（1mm = 1000um 1um = 1000nm，约为人发的1 / 200,000）
       超强的强度，是普通钢的200倍。
       强大的比表面积2630 / g
       超高的导热系数，导热系数高达5 X 103W / m.K，是铜，铁，铝等金属的导热系数的数十倍。
        
    超强导电性，载流子迁移率是光速的1/300，是硅的140倍。
   单独看其中一个特性或许已经很厉害了，但是一旦把几种特性稍微组合利用一下，达到的效果就是革命性的，比如讲导电性跟超薄的设定利用起来，就可以制造远超硅基芯片性能的碳基芯片；
      单独利用超强的强度这一点，就可以建造更高的建筑，速度更快防御更高的战斗机、航母；
      超高的导热系数，配合导电性，可以将电转热的效率高到极致，用在小家电上，瞬间加热完全不是问题；
     
   导热系数单独拿出来可以用作非常实用的散热装置，用在各类电脑、手机的散热功能上，性能可以再次提升。
      总的来说石墨烯是非常优秀的一种材料，只可惜目前只是处于发现阶段，对石墨烯的制备还处于刚刚开始的地步，所以说目前制备成本非常之高，并不适合大范围的运用。
   比如作为 添加剂 放入发动机保护剂中，利用石墨烯本身的特性，大大延长了发动机使用寿命，还减少了发动机的磨损与振动；
       在电池领域 ，石墨烯电池目前已经处于实验室试验阶段，相比传统的电池容量更高，充电更快，目前唯一要解决的就是安全问题，不过市面上已经有利用石墨烯作为添加剂放入电池内的案例，虽然达不到真正石墨烯的性能，但是对电池的性能也有一定程度的提升；
       在医疗领域 ，利用单层石墨烯加热后会释放远红外的原理，就在很多的理疗产品上有所运用，对于各类疾病、炎症有很好的调理效果。
      相信在不久的将来，当石墨烯技术不断成熟的时候，石墨烯一定会对全世界的 科技 带来飞跃性的提升！让我们拭目以待吧！

2. 取代硅在半导体界中的霸主地位？石墨烯薄膜材料燃起的星星之火

  硅材料晶体管尺寸的不断缩小一直推动着半导体技术的前沿发展，随着石墨烯和碳纳米管等新型原子级材料的发现，科学家日前用原子级薄膜材料制成的晶体管创下了最小尺寸的纪录，为我们绘制了用新型原子级材料满足未来半导体产业制造需求的新蓝图。 
        
     
     如果你可以简单地使用1纳米宽的碳纳米管，就没有必要在硅材料上蚀刻出1纳米的特性。目前这项工作已经取得了一些显著的成功，比如由单个碳纳米管制成的1纳米栅极。在半导体工业中，这项工作常常涉及到一个困难的过程，   即把这些厚度只有原子级的材料放在正确的位置以创造出一个具有功能性的半导体器件。   
     然而，本周发表的一篇新论文   描述了一种创纪录的设计方法，它拥有迄今为止最小的晶体管栅极长度。这一纪录是由石墨烯薄膜材料的边缘创造的，这意味着这个晶体管的栅极只有一个碳原子。而且通过在关键部件上使用第二种原子级薄膜材料再加上巧妙的设计，设计团队已经确保了整个晶体管易于制造且相对紧凑。   
      进入原子尺度   
      标准的晶体管设计包括两个导电电极，即源极和漏极，这两个导电电极由中间的一块半导体隔开。中间半导体的状态，即它是导电的还是绝缘的，通常是由第三个导电电极决定的，这个电极叫做栅极。虽然有许多表征晶体管尺寸的方法，但是测量栅极长度最重要的方法之一。   
        
     
     硅可能是最著名的半导体材料，但也有原子级薄膜半导体材料。这些物质中最突出的是二硫化钼。虽然由于化学键的排列，二硫化钼不像单个原子那么薄，但它仍然非常致密。考虑到它具有有用的特性，特性良好，易于操作，研究人员使用二硫化钼作为他们的半导体材料。源极和漏极是简单的金属条，用于和二硫化钼连接。  
      在之前的1纳米器件中，栅极是由一个碳纳米管制成的   。要比这个更小是困难的，但也不是不可能。石墨烯薄膜就像扁平化的碳纳米管，一块由碳原子连接在一起的薄片。虽然薄膜的长度和宽度将比纳米管大得多，但厚度将只有一个碳原子的厚度。所以，如果你能用石墨烯薄片的边缘作为栅极，你就能得到一个非常小的栅极长度。  
     然而，所有这些材料已经被用于无数的测试设备。   这项新工作的秘密在于它们是如何安排的，这种安排的一部分只是为了让石墨烯薄膜的边缘在正确的方向上起到栅极的作用   。但这种设计的一个显著的好处是，它很容易制造因为它不需要非常精确的定位原子薄膜材料。  
     
      精妙的几何设计   
     为了制造这种设备，研究人员从硅和二氧化硅层开始。硅和二氧化硅层是单纯作为支撑结构的，这个晶体管本身不含硅。石墨烯片被沉积在二氧化硅材料上形成栅极，在此之上研究人员又沉积了一层铝。虽然铝是一种金属导体，但研究人员让它在空气中停留几天，在此期间铝的表面氧化形成氧化铝。所以石墨烯薄膜的底部表面是二氧化硅，顶部表面覆盖着氧化铝，两者都是绝缘体。这将石墨烯边缘与晶体管硬件的其余部分隔离开来。  
     为了以一种有效的方式暴露石墨烯的边缘，研究人员简单地沿着铝的边缘蚀刻，直到下面的二氧化硅。穿过石墨烯薄膜，并露出可以用作栅极的边缘。此时整个器件覆盖了一层薄薄的绝缘体氧化层，在栅极和其他硬件之间提供了一点空间。接下来，二硫化钼半导体薄膜被沉积在整个结构上。  
     因此，石墨烯的边缘现在被嵌在器件垂直部分的侧壁上，并十分靠近二硫化钼层。石墨烯的边缘现在可以作为一个栅极来控制半导体的导电性，这个栅极的长度就是石墨烯薄膜的厚度——一个碳原子或0.34纳米。  
     最后，该团队简单地将源极和漏极放置在栅极的两侧。通过调整三维布局可以让这事变得容易。源极放在顶部，漏极放在底部，中间是垂直的栅极墙，因此研究人员开玩笑称他们的设备为“侧壁晶体管”，因为栅极位于侧壁的中间。  
     
        新型器件的结构，黑色为二氧化硅基材，蓝色为石墨烯，红色为铝/氧化铝层，黄色为二氧化钼，氧化铪层没有显示出来。  
     
     
      不仅仅是设计   
     虽然该器件的很多特性都是通过设计建模得到的，但研究人员实际上已经制造了几十个晶体管。其中一些是为了成像和确认材料都在制造过程中所期望的位置，但另一些则被用来   证明新设计出来的晶体管能正常工作   ，尽管它需要相当高的电压才能做到这一点。   另一个优点是它还具有足够低的漏电流   ，漏电流通常是半导体中被无效消耗的电流，因此对于要求较低漏电流的低功率半导体器件来说，这种新设计方法非常有吸引力。  
     当然真正重要的是研究人员找到了一种方法，使用最小尺寸的原子薄材料作为功能晶体管的一部分。当石墨烯和二硫化钼被添加到设备中时，他们不需要特别精确的定位方式就能做到这一点。一部分原因是需要精确定位的石墨烯边缘是通过蚀刻产生的，同时二硫化钼的位置已经足够好，足以盖住晶体管的源极，漏极和栅极。  
     要制造数十亿个基于这种结构的设备，我们还需要很长一段时间才能做到易于定位，但科学家已经踏出第一步。  
     
     
     
     
     
     
     
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3. 硅烯未来是否比石墨烯更有前景

有可能。
硅烯是一种由单个原子厚度的硅制成的材料，类似石墨烯，被证明具有超凡的导电性能，但制备过程极为困难。这种晶体管拥有巨大的潜力，对于计算机科学家来说，硅烯是一种比石墨烯更有趣的材料。7年前，硅烯还只是理论学家的一个梦想。受石墨烯热的驱动，研究人员推测，硅原子也可能形成类似的表面。而且如果它们可以被用于制作电子产品，硅烯胶片将会使半导体工业实现微型化的终极梦想。