什么是石墨烯材料
石墨烯是一種二維晶體，人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當把石墨片剝成單層之后，這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。
自從石墨烯在2003年被發現以來，研究者發現它具有優異的強度、導熱性和導電性。最后一種性質使得這種材料非常適合用來制作電路中的微小接觸點，但最理想是用石墨烯自己制成電子元件——特別是晶體管。
要做到這點，石墨烯不僅需要充當導體，也要有半導體的功能，這是電子元件需要進行的通斷切換操作的關鍵。半導體由其帶隙所定義的，帶隙指的是激發一個電子，讓它從不能導電的價帶躍遷到可以導電的導帶所需要的能量。帶隙必須足夠大，這樣來使得晶體管開和關之間的狀態才對比明顯，這樣它才能準確無誤地處理信息。
常規的石墨烯是沒有帶隙的——它特殊的波紋狀價帶和導帶實際上是連在一起的，這使得它更像是金屬。盡管如此，科學家們試圖分開這兩個帶。通過把石墨烯制造成奇特的形狀，如帶狀，目前最高可以讓帶隙達到100meV，但這對電子工程應用來說還是太小了。
相對于通過前端設計提升微結構來提高芯片性能，通過后端設計來提升主頻顯然更加簡單粗暴，研發周期也更短(微結構研發一般要3年)，更適合商業推廣。
硅基材料集成電路主頻越高，熱量也隨之提高，并最終撞上功耗墻。目前硅基芯片最高的頻率是在液氮環境下實現的8.4G，日常使用的桌面芯片主頻基本在3G到4G，筆記本電腦為了控制CPU功耗，主頻普遍控制在2G到3G之間。
但如果使用石墨烯材料，那么結果就可能不同了。因為相對于現在普遍使用的硅基材料，石墨烯在室溫下擁有10倍的高載流子遷移率，同時具有非常好的導熱性能，芯片的主頻理論上可以達到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗——早在幾年前，IBM在實驗室中的石墨烯場效應晶體管主頻達155G。
因此，在前端設計水平相當的情況下，使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能強幾十倍，隨著技術發展，進一步挖掘潛力，性能可能會是傳統硅基芯片的上百倍!同時還擁有更低的功耗。
石墨烯芯片的機會與挑戰
石墨烯因其超薄結構以及優異的物理特性，在 FET 應用上展現出了優異的性能和誘人的應用前景. 如 Obradovic 等研究發現，與碳納米管相比，石墨烯 FET 擁有更低的工作電壓﹔Wang等所制備的柵寬 10nm 以下的石墨烯帶 FET 的開關比達 10e7﹔Wu 等采用熱蒸發 4H-SiC 外延生長的石墨烯制備的 FET，其電子和空穴遷移率分別為 5,400 和 4,400cm2/(V·s)，比傳統半導體材料如 SiC 和 Si 高很多﹔Lin 等制備出柵長為 350nm 的高性能石墨烯 FET，其載流子遷移率為 2700 cm2/(V·s)，截止頻率為 50 GHz，并在后續研究中進一步提高到 100 GHz﹔Liao 等所制備的石墨烯 FET 的跨導達 3.2 mS/μm，并獲得了迄今為止最高的截止頻率 300 GHz，遠遠超過了相同柵長的 Si-FET (~40GHz)。
然而, 由于石墨烯的本征能隙為零，并且在費米能級處其電導率不會像一般半導體一樣降為零，而是達到一個最小值，這對于制造晶體管是致命的，為石墨烯始終處于“開”的狀態。
另外，帶隙為零意味著無法制作邏輯電路，這成為石墨烯應用于晶體管等器件中的主要困難和挑戰。因此, 如何實現石墨烯能帶的開啟與調控，亟待研究和解決。據文獻報道，一般采用兩種方法實現石墨烯能帶的開啟與調控，即﹕摻雜改性和形貌調控。Nature Nanotechnology 評論明確指出﹕要深入挖掘石墨烯的優異物理特性，以制備高性能石墨烯 FET，其重要基礎和關鍵之一是獲得寬度與厚度(即層數)可控的高質量石墨烯帶狀結構。帶狀石墨烯因其固有而獨特的狹長“扶椅”或“之”狀邊緣結構效應、量子限域效應而具有豐富的能帶結構，其能隙隨著石墨烯的寬度減小而增大，且和石墨烯的厚度密切相關，成為石墨烯 FET 溝道材料的理想選擇。
納米碳材料，特別是石墨烯具有極其優異的電學、光學、磁學、熱學和力學性能，是理想的納電子和光電子材料。石墨烯具有特殊的幾何結構，使得費米面附近的電子態主要為擴展π態。由于沒有表面懸掛鍵，表面和納米碳結構的缺陷對擴展 π 態的散射幾乎不太影響電子在這些材料中的傳輸，室溫下電子和空穴在石墨烯中均具有極高的本征遷移率 (大于 100000 cm2/(V·s))，超出最好的半導體材料(典型的硅場效應晶體管的電子遷移率為 1000 cm2/(V·s))。
作為電子材料，石墨烯可以通過控制其結構得到金屬和半導體性管。在小偏壓的情況下，電子的能量不足以激發石墨烯中的光學聲子，但與石墨烯中的聲學聲子的相互作用又很弱，其平均自由程可長達數微米，使得載流子在典型的幾百納米長的石墨烯器件中呈現完美的彈道輸運特征。典型的金屬性石墨烯中電子的費米速度為 υF= 8×10e5 m/s，室溫電阻率為 ρ = 10E6 Ω-cm，性能優于最好的金屬導體，例如其電導率超過銅。由于石墨烯結構中的 C–C 鍵是自然界中最強的化學鍵之一，不但具有極佳的導電性能，其熱導率也遠超已知的最好的熱導體，達到 6,000 W/mK。
此外石墨烯結構沒有金屬中的那種可以導致原子運動的低能缺陷或位錯，因而可以承受超過 10e9 A/cm2 的電流，遠遠超過集成電路中銅互連線所能承受的 10e6A/cm2 的上限，是理想的納米尺度的導電材料。理論分析表明，基于石墨烯結構的電子器件可以有非常好的高頻響應，對于彈道輸運的晶體管其工作頻率有望超過 THz, 性能優于所有已知的半導體材料。
現代信息技術的基石是集成電路芯片，而構成集成電路芯片的器件中約 90% 是源于硅基 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor)，互補金屬-氧化物-半導體)技術，而硅基 CMOS技術的發展在 2005年國際半導體技術路線圖 (International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS)宣布將在 2020 年達到其性能極限。原因在 CMOS 技術的核心是高性能電子 (n-)型和空穴 (p-)型場效應晶體管 (field effect transistor, FET)的制備，以及將這兩種互補的場效應晶體管集成的技術。
隨著晶體管尺度的縮小，器件加工的均勻性問題變得越來越嚴重，其中最為重要的是器件的加工精度和摻雜均勻性的問題。采用傳統的微電子加工技術，目前最好的加工精度約為 5nm。隨著器件尺度的不斷縮小，對應的晶體管通道的物理長度僅為十幾納米，場效應晶體管源漏電極之間的載流子通道的長度的不確定性將不再可以忽略不計，所以半導體材料中的摻雜均勻性問題將是另一個難以克服的問題。
這個領域的主流方向一直是沿用硅基技術的思路，即通過摻雜，例如 K 摻雜來制備石墨烯 n型器件，但結果都不盡如人意。其中主要的問題是石墨烯具有一個非常完美的結構，表面完全沒有懸掛鍵，一般不和雜質原子成鍵，是自然的本征材料。采用與石墨烯結合較弱的 K 原子摻雜結果一是不穩定，二是很難控制，不大可能滿足高性能集成電路的要求。2005 年美國 Intel 公司 Chau 等人對納米電子學的發展狀況進行了總結, 他們對石墨烯基器件的主要結論是: 雖然其 p 型晶體管的性能遠優于相應的硅基器件, 但其 n 型石墨烯晶體管的性能則遠遜于相同尺寸的硅基器件。集成電路的發展要求性能匹配的 p 型和 n 型晶體管，n 型碳石墨烯晶體管性能的落后嚴重制約了石墨烯電子學的發展, 發展穩定的高性能 n 型石墨烯器件成了 2005 年之后石墨烯 CMOS 電路研究領域最重要的課題之一。
從目前石墨烯電子學已經取得的進展來看，至少有兩個重要的方面是可以確認的。第一是石墨烯器件相對于硅基器件來說具有更好的特性，無論是速度、功耗還是可縮減性，而且可以被推進到 8nm 甚至 5nm 技術節點，這正是 2020 年之后數字電路的目標。第二是石墨烯的數字集成電路的方案是可行的。
在實驗室人們已經實現各種功能的電路，原則上已經可以制備任意復雜的集成電路，特別是 2013 年 9月 26日美國斯坦福大學的研究人員在《Natures》雜志上報道采用碳納米管制造出由 178 個晶體管組成的計算機原型。雖然目前這個原型機尚在功耗、速度方面不能和基于硅芯片模式的先進計算機比肩，但這項工作在國際上引起了巨大反響, 使得人們看到了碳基電子學時代初露的曙光。
IBM 發表的系統計算表明，石墨烯基的芯片不論在性能和功耗方面都將比硅基芯片有大幅改善。例如，從硅基 7 nm 到 5nm技術，芯片速度大約有 20%的增加。但石墨烯 7nm 技術較硅基 7nm 技術速度的提高高達 300%，相當 15 代硅基技術的改善。
目前石墨烯材料的主要挑戰來源于規模生產面臨的高可控性材料加工問題，即必須在絕緣襯底上定位生長出所需管徑大小的半導體石墨烯。但是到目前為止，對石墨烯生長進行嚴格的控制還是沒有實現。另一個問題是供應鏈的問題，硅的成本及穩定性的優勢還在，芯片廠及封裝廠誰愿意開第一槍，就讓我們拭目以待。
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