（文章來源：老胡說科學(xué)）

石墨烯獲得“神奇材料”的稱號是有充分理由的。組成它的元素，碳，是地球上最豐富的元素之一，但只是簡單地以一種獨(dú)特的方式排列。它只有一個(gè)原子的厚度。石墨烯的強(qiáng)度是鋼的200倍，重量是鋼的6分之一，導(dǎo)電性是硅的100倍(就電子遷移率而言)，導(dǎo)電性是銅的13倍。由于它只有一個(gè)原子的厚度，所以材料實(shí)際上是二維的。每平方米石墨烯的重量為0.77毫克，因此不足一克的石墨烯就可以覆蓋整個(gè)足球場。

科學(xué)家們得出結(jié)論，鑒于這些特性，石墨烯可以被廣泛應(yīng)用于建筑、輕型裝甲、消費(fèi)品和電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。但在某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了一些問題，因?yàn)槲覀儧]有在任何地方看到石墨烯，這是為什么？石墨烯是一種很難制造的材料。盡管它只是碳原子，但是要在相當(dāng)大的規(guī)模上將碳原子排列在二維的六角形晶格中是非常困難的。僅一個(gè)缺陷就足以弄亂整個(gè)結(jié)構(gòu)并大大降低材料的性能。

石墨烯的質(zhì)量和數(shù)量取決于石墨烯的制備方法。雖然有很多，我只會(huì)帶你通過兩個(gè)最重要的：透明膠帶方法和化學(xué)蒸汽沉積法。這是從石墨中提取石墨烯的最便宜、最簡單、最優(yōu)質(zhì)的方法。這很簡單，也可以在家里做。石墨是你用來寫字的鉛筆的一部分，實(shí)際上你可以從鉛筆的尖端提取石墨烯。

把一根膠帶粘在一塊石墨上，把它撕掉，注意到膠帶上有一些石墨殘?jiān)Ｈ缓螅磸?fù)粘貼和剝離膠帶，直到膠帶上剩下的石墨只有一個(gè)原子那么厚。這就是石墨烯。石墨烯就是這樣被發(fā)現(xiàn)的。這種方法可以制備出高質(zhì)量的石墨烯薄片。它的缺點(diǎn)是浪費(fèi)膠帶和時(shí)間，而且一次只能產(chǎn)生很少的石墨烯。

化學(xué)氣相沉積首先是將碳在高溫下蒸發(fā)，然后將其置于沉積基板上。襯底是某種物質(zhì)(石墨烯)沉積在其上的表面。石墨烯將在5分鐘內(nèi)開始在基板上形成。然后，使用金屬催化劑將過程所需溫度從2500℃降至1000℃。必須格外小心，以降低催化劑在石墨烯中產(chǎn)生雜質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)。然后將沉積基板的石墨烯層置于目標(biāo)基板上。將金屬電極置于石墨烯上，然后將石墨烯通道塑造成所需的形狀和尺寸。

CVD可以制備出高質(zhì)量的高容量石墨烯。然而，這個(gè)過程是昂貴和復(fù)雜的，涉及許多復(fù)雜的步驟。時(shí)至今日，這仍然是石墨烯生產(chǎn)中最全面的方法。石墨烯并非制造石墨烯晶體管的唯一挑戰(zhàn)。這是因?yàn)槭┎⒉煌耆前雽?dǎo)體，因?yàn)樗械膬r(jià)電子都與同一元素原子的其他價(jià)電子共價(jià)結(jié)合，從而沒有空間分散電子。硅原子間共價(jià)結(jié)合這很容易通過一種叫做摻雜的過程來改變，它將雜質(zhì)引入元素，在摻雜元素的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生空穴或多余的電子。

然而，石墨烯是不同的。在一個(gè)六邊形圖案中，每個(gè)碳原子與另外3個(gè)相連，每個(gè)碳原子留下1個(gè)電子。電子可以毫無阻力地穿過整個(gè)結(jié)構(gòu)，有效地使石墨烯成為導(dǎo)體。這是有問題的，因?yàn)槲覀冃枰┏蔀?a target="_blank">半導(dǎo)體。半導(dǎo)體由帶隙定義。帶隙是激發(fā)電子從其價(jià)帶（其不能導(dǎo)電）躍遷到導(dǎo)帶（其可以導(dǎo)電）所需的能量。簡而言之，帶隙使晶體管具有“關(guān)閉”的能力，這對于晶體管的功能是必需的。

絕緣體帶隙大，導(dǎo)體帶隙小。半導(dǎo)體通常有一個(gè)中等大小的帶隙。如果石墨烯是導(dǎo)體，它就不會(huì)有帶隙，也沒有關(guān)閉的能力，使得它作為晶體管材料毫無用處。然而，科學(xué)家們用雙層石墨烯(實(shí)際上是兩層石墨烯)創(chuàng)造了一種解決方案。雙層石墨烯與單層石墨烯一樣，沒有帶隙。但是通過在石墨烯的兩層上都施加一個(gè)電位移場，就可以產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)的帶隙。這個(gè)帶隙可以控制在0 - 0.25 ev的范圍內(nèi)。這使得石墨烯可以作為半導(dǎo)體。

2種雙層石墨烯盡管在石墨烯上設(shè)計(jì)帶隙是制造石墨烯晶體管的有效方法，但它有很多缺陷。這是一個(gè)復(fù)雜而昂貴的過程，同時(shí)也損害了石墨烯優(yōu)越的性能。幸運(yùn)的是，西班牙的研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)經(jīng)濟(jì)的解決方案，用與硅類似的帶隙(1ev)來制造石墨烯。這使石墨烯在晶體管和cpu的使用上成為比硅更好的選擇。

加泰羅尼亞納米科學(xué)和納米技術(shù)研究所采用了一種自底向上的方法來制造石墨烯(自底向上意味著原子和分子被單獨(dú)放置以構(gòu)建特定的結(jié)構(gòu))，并為電子使用提供了完美的帶隙。他們通過在石墨烯上裝配納米孔(一個(gè)非常小的孔)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，使這些孔具有完美的形狀、大小和密度，從而創(chuàng)造出最佳的帶隙。后來，石墨烯被制成了場效應(yīng)晶體管(與當(dāng)前cpu使用的晶體管類型相同)，以證明其有效性。

既然石墨烯已被證明是制造晶體管的一種非常可行的材料，對計(jì)算能力的需求就有可能得到滿足。當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)要花上幾年的時(shí)間才能最終適應(yīng)。然而，一旦成功，這對整個(gè)科技市場來說都是件好事。
（責(zé)任編輯：fqj）