石墨烯让处理器以100 GHz的速度飞了起来！

材料牛注：时速是衡量一款电脑速度的重要标准，目前，个人计算机的时速已经达到上百兆赫，有的甚至超过了1GHz。而现在科学家运用石墨烯把时速提高到了让我们吃惊的100GHz!

多年来，二维材料石墨烯已在微型、高效的电子产品领域展现出它巨大的应用前景。而现在，科学家设计了一个工作时能耗超低的石墨烯晶体管，最终可以使处理器的时速达到惊人的100 GHz。

传统晶体管的工作方式是其所包含的电子，由能量源激发，从一端穿过能量势垒跃迁到另一端产生电流。这是一种很好的工作方式，但目前我们不能使它们拥有更高的能源效率。

隧道晶体管相对于标准晶体管的运行功率更低。隧道晶体管所包含的电子因量子隧道效应穿过能量势垒，穿过能量势垒的过程就是电子“运输”的过程。但目前隧道晶体管的问题是，电流抵达另一端时就会变的太小而无法使用。

现在，莫斯科物理与技术研究院（MIPT）的科学家已经找到利用石墨烯来提高隧道电流的方法。石墨烯本质上是一个二维结构，只由一个原子厚的碳层组成，而在这个尺寸下它具有一些不寻常的电学性质。

研究者们通过构建模型来研究由两层石墨烯粘结在一起形成的双层石墨烯的性能，发现了一些奇怪的能量带和电子的能量范围。双层石墨烯的能量带类似于“墨西哥帽”的形状，而不是大多数半导体产生的抛物线形状。

在帽子形状边缘的电子密度趋于无穷大（范霍夫奇点）这一特性具有重要的意义，当一个低电压施加到晶体管的栅极，大量的电子立即穿过隧道，结果导致能量势垒的另一端电流发生瞬间改变。这种结果与标准晶体管所表现的相同，但双层石墨烯晶体管需要的电压更低。

该论文的一作Dmitry Svintsov 说道：“这意味着晶体管需要的能量交换更少，芯片需要的能量更低，因而产生的热量也更少，不再需要强大的冷却系统对多余的热量进行冷却，更不用担心产生的多余热量会破坏芯片，进而时速得到大幅度提高。”

双层石墨烯晶体管的制备还可以略去复杂的“化学掺杂”，然而为了扩展半导体的能带，这个步骤对传统晶体管的生产而言是非常必要的。在不通过“化学掺杂”的情况下，对于双层石墨烯晶体管，通过“电子掺杂”同样可以实现半导体能带的扩展，这是相同过程下运行晶体管的副效应。

研究者们解释说“墨西哥帽”的边缘发生着许多重要的效应，这些效应在之前是很难测量的，但是通过使用更高质量的基底（承载双层石墨烯的材料），他们第一次用实验清楚的证实了范霍夫奇点。

双层石墨烯在150mV电压范围内工作与硅晶体管在500mV电压范围内工作相比较，双层石墨烯晶体管的重要优势是可以首先有效的大幅提高计算能力。

Svintsov 说：“一个低耗的电子元件产生的热量少，这意味着它们能够在更高的时速下运转，不再单单是一兆赫，可能是十兆赫，甚至是一百兆赫。”

该小组的研究结果发表在Scientific Reports上。

原文链接：Ultra-low power graphene-based transistor could enable 100 GHz clock speeds

本文由编辑部杨鹏程提供素材，刘继发编译，丁菲菲审核。