第四百一十章:性能優異的石墨烯晶圓

直播在荒野手搓核聚變 第四百一十章:性能優異的石墨烯晶圓

直播間內，觀眾對于石墨烯晶材上的裂紋議論紛紛。

一些人感覺這次石墨烯制備失敗了，另一部分人則認為有裂紋很正常。

畢竟芯片的面積只有那么一點點大，有裂紋也不影響整體的取件。

就像一塊兩三噸重的翡翠中有大裂也不影響它取手鐲啊。

更何況韓元一直以來無論是制造什么東西都一次成功給觀眾留下了深刻的印象。

這讓部分觀眾覺得一次成功屬于必然的事情。

看了眼虛擬屏幕上的彈幕，韓元苦笑了一下回道：“這一塊石墨烯的確有可能出問題了。”

“上面的裂紋并不像翡翠一樣那么簡單。”

“石墨烯單晶質上有裂紋，是這一塊材料整體的拉力釋放不充分導致的，有裂紋,

就代表整塊材料的晶形都可能變形了。”

“而形變了的晶材，是沒法用來切割制造石墨烯晶圓的。”

頓了頓，韓元又補充道：

“當然，現在還只是初步的判斷，具體情況如果，還需要通過專門的儀器來進行檢測。”

“不過大概率這塊石墨烯單晶材料已經沒用了。”

韓元搖搖頭,

將手中的石墨烯晶材裝入專用的儀器中,

然后帶向化學實驗室的另一個房間中。

化學實驗室中有很多專用的檢測儀器，自從得到中級工業設備應用知識信息后,

他就對化學物理實驗室以及冶煉廠等地方的設備做了一個全面的升級。

不說各種冶煉設備，就是各種檢測設備也比以前高級多了。

向紅外光譜儀、元素分析儀這些設備都是自帶芯片并連接著中央計算機的。

分析檢測出來的數據會自動傳遞到中央計算機里面，只要有網絡，韓元可以在任何一個角落查看各種數據。

一番折騰，有關這塊新制備出來的石墨烯單晶材料的各種檢測數據終于齊全了。

韓元翻閱了一下屏幕上的各種數據，搖了搖頭嘆了口氣。

從紅外光譜儀上的數據來看，這塊石墨烯單晶材料的確是有問題的。

這是肉眼看不出來的地方。

就像原本平鋪沒有任何皺紋的床單，被人滾了一通后，上面就滿是扭曲的紋路了。

雖然肉眼看不到這些扭曲的紋路，但對于它的用途來說，這塊材料已經廢了。

石墨烯晶圓雖然對于面積的要求并不大，其大小有四五個大拇指的指甲大小就夠了，但它和硅晶晶圓一樣，對于材料本身的要求相當高。

而這些因為裂紋張力導致的扭曲紋路，會對整塊材料都造成極大的影響,

這些錯亂的紋路,

會導致電子在整塊芯片中亂串，根本就無法用于芯片上。

即便是還有少部分未被扭曲的地方，韓元也不敢使用。

這些未被扭曲的地方或許完好，但在一定的概率上還是有問題的，重制一塊比較穩妥。

當然，在重制之前，他得找到這塊石墨烯單晶材料為什么會出現裂紋，并處理掉，確保下一次的制備不會再次出現。

韓元在實驗室中尋找著石墨烯單晶材料出現問題的原因。

而蹲守在直播間里面的各國專家對韓元會如何解決這個問題很是好奇。

特別是華國研究石墨烯晶材的專家。

因為這個問題他們也碰到了，而且在一定程度上并未能解決。

眾所周知，石墨烯是單層的碳原子組成的平面結構，而但這個平面結構中的原子數量不夠時，就會因為張力等問題導致石墨烯平面出現原子鍵斷裂，進而出現了裂縫。

這個問題，在石墨烯薄膜中廣泛存在。

這是一種釋放壓應力而產生的線性缺陷，普遍存在于石墨烯薄膜中。

與其說是裂縫問題，不如說是石墨烯晶材的‘褶皺’問題。

如果只是單純的裂縫存在并不會影響石墨烯材料的品質，避開裂縫選取晶圓就行。

但裂縫周邊扭曲的皺褶，會使石墨烯的電學性質大大降低。

目前華國處理石墨烯晶材生長過程中出現的‘褶皺’問題主要有三條途徑：

第一，低溫生長；

相比較高溫生長環境，低溫生長會極大的削弱石墨烯晶材的應力問題,

自然也就不會出現褶皺了。

第二、選用熱膨脹系數低的單晶襯底；

第三、減弱石墨烯與襯底之間的界面相互作用。

這三個辦法是華國研究了數年才找出來的方法，能解決掉石墨烯晶材上的皺褶問題，但同時也帶來了新的麻煩。

那就是采用這三個方法處理石墨烯晶材的褶皺問題會顯示石墨烯晶材生長的面積大小。

對于幾乎沒有催化活性的絕緣襯底，會導致石墨烯成核密度過高，生長速率過慢，單晶疇區尺寸多為百納米級別，較少會出現微米、毫米級別的單晶材料。

而這個疇區尺寸的石墨烯單晶材料是無法用作石墨烯晶圓的。

如果說要批量生產英寸級別的石墨烯晶圓的話，需要的時間又相當長，有些得不償失。

畢竟碳基芯片的性能再優異，也是需要一定的面積來支撐里面晶體管的數量的。

晶體管的數量提升不起來，這塊芯片的性能也根本無法提升。

所以目前華國中科院成功研制出8英寸石墨烯晶圓片，使用的石墨烯單晶制備方法并不是化學氣相沉積法。

而是使用的另外一種實驗室制備法。

問題在于這種實驗室制備法批量生產的成本很高，利用這種方法去生產石墨烯晶圓的話得不償失。

中科院一直在尋找低成本制造石墨烯晶圓的辦法，氣相沉積法就是其中研究的重點。

但很可惜在解決了褶皺問題后，石墨烯單晶材料的生長面積又遭到了限制，讓人很是氣餒。

所以對于韓元會如何解決石墨烯單晶材料上的褶皺問題，華國的專家尤為期待。

顯示屏前，韓元仔細的檢查著石墨烯單晶材料的檢查數據以及在生產制造過程中的記錄日志。

這些東西結合起來檢查，基本能找到問題所在的點。

就像飛機失事后檢查現場的零件碎片以及黑匣子日志一樣，通過這兩樣東西，基本能還原飛機失事時的場景。

很快，通過高溫冶煉爐記錄下來的數據信息吉和紅外光譜儀的檢查數據，韓元找到這塊石墨烯單晶材料了為什么會出現裂紋的原因。

其實原因相當簡單，那就是他之前失誤了，使用的單晶鎳基底材料過大，導致單體面積上的碳粉、石墨粉末這些材料不夠量。

最終導致碳原子在加熱重構到了一定程度后，形成的石墨烯單晶材料在冷卻時因為自身的張力問題出現了晶體裂鍵的問題。

對于這種情況，解決辦法并不算復雜，按照各種材料對應的比例增加份量就可以解決。

只不過根據材料的量需要同步修改高溫冶煉爐中甲烷、乙烯等各種氣體的含量、壓強、制備時間等各種參數。

這對于韓元來說并不難，花費了一些時間，韓元重新調整了各種參數信息，開啟了第二次的石墨烯制備。

找到問題和解決方式后，韓元簡單的講解了一下導致問題出現的原因以及解決方法。

簡單的按照各種材料對應的比例增加原料份量就可以解決石墨烯單晶材料的褶皺問題聽得各國的專家口瞪目呆，不敢相信。

但很快，這些專家想起了韓元之前說過的話，也反應了過來到底是怎么回事。

其實原因很簡單。

他們和對方處理石墨烯單晶材料上的褶皺方式之所以天差地別，其主要原因是引導石墨烯單晶材料生長的基底材料以及晶核不同。

比如在氣相沉積法這一塊，華國使用的基底材料是液態銅，使用的含氮分子‘吡啶’作為碳氮源。

利用了吡啶分子在銅箔表面的催化脫氫自組裝效應來生成石墨烯。

而對方利用的是單晶鎳作為基底，利用了碳化硅作為晶核生長，在這個基礎上，石墨烯的褶皺問題已經被解決了。

第一次生產出問題，就是純粹的原料不足問題導致的，并非熱效應張力。

想明白到底是怎么回事后，各國專家或搖頭或臉傷露出了無奈的苦笑。

虧他們之前還在想著對方是不是也沒有掌握石墨烯的制備技術，現在看來，只不過是對方第一次生產制備石墨烯不熟練而已。

經過調整，第二次制備出來的石墨烯單晶材料比第一次制備出來的要厚一些，不過裂紋已經沒有了。

一系列的檢查過后，韓元拿著檢測數據松了口氣。

第二次制備出來的石墨烯單晶材料從各項數據上來看，是符合制備石墨烯晶圓的要求的。

整體結構為單晶、整體無褶皺、整體超潔凈、雜質含量低于0.0001。

這些是基礎屬性，除此之外，韓元還檢測了這塊石墨烯單晶材料的界面導熱率、導電率等一系列的東西。

通過檢測，可以從顯示屏上的數據看到，這塊石墨烯的載流子遷移率達到了160000

相比較之下，單晶硅的載流子遷移率一般都在25003500

1之間。

載流子遷移率，是指固體物理學中用于描述金屬或半導體內部電子，在電場作用下移動快慢程度的物理量。

這是一個物理屬性，并不需要了解它的原理，但要知道這個物理屬性對于芯片的影響。

第一，載流子遷移率和載流子濃度一起決定半導體材料的電導率（電阻率的倒數）的大小。

第二，它影響器件的工作頻率。

很多人應該都聽說過芯片的‘超頻’，特別是一些個人電腦愛好者。

超頻指的是把一個電子配件的時脈速度提升至高于廠方所定的速度運作，從而提升性能的方法。

通過超頻，可以讓電腦的性能更加優秀。

比如英特爾系列的酷睿i系列cpu，通過超頻手段能做到跨級別性能對比。

同代的i3處理器，在超頻下，性能堪比同代i5，甚至超越。

但超頻有一個壞處，它就跟人體長時間高負荷的勞動一樣，容易累到累進醫院。

所以對于芯片的壽命有很大的影響。

而石墨烯單晶材料的優越性，在這一方面體現的淋漓盡致。

正因為石墨烯具有如此高的載流子遷移率，使得其可應用于超高頻器件，使得thz成為可能（硅基芯片無論再怎么提升，其高頻也只能做到ghz級別）。

如在典型的100

nm通道石墨烯晶體管中，載流子在源漏之間傳輸只需要0.1

除此之外，這一份石墨烯單晶材料的熱導率為3800

w/（m·k），是目前人工合成可用于電子器件中最高的。

相比之下，單晶硅的熱導率只有250w/（m·k），兩者之間的差距有多大，一眼就能看出來。

而高熱導率，對于大功率器件的界面散熱作用顯著，畢竟熱量能及時傳遞出去。

這能夠提高器件效率、延長器件壽命，有望用于集成電路的熱管理。

無論是高載流子遷移率還是高熱導率，都可以看出石墨烯單晶材料的優秀性能。

這是硅基芯片無可比擬的。

當然，有性能優異的地方，自然就有性能低下的地方。

石墨烯單晶材料的超高電子載流子遷移率來源于它本身缺乏固有帶隙性。

而缺乏固有帶隙限制了石墨烯在邏輯電路中的應用。

其實這一點相當容易理解，在石墨烯中運行的電子，就好像在高速公路上運行的汽車一樣，一座座的收費站，是電子的開關，它引導每一顆電子前往的位置。

而石墨烯單晶材料，是一條比硅基芯片更加寬廣的高速公路，但這條高速公路上沒有收費站。

這導致在上面行駛的汽車，也就是電子，可以隨意亂跑。

這是碳基芯片中使用石墨烯材料作為晶圓時必須要解決的一個重要難題。

對于這個難題，現實各國的做法是在石墨烯晶圓底下附加一層單晶硅或者碳化硅晶材。

從而做到實現帶隙功能。

但這種方式有個較大的缺點，那就是無論使用單晶硅還是碳化硅晶材作為基底，都會影響芯片整體的運行效率。

不是哪一種材料都有石墨烯單晶這么高的載流子遷移率和熱導率的。

即便是超高純度的碳化硅晶材，在這兩方面的效率都遠低于石墨烯單晶材料。

后面韓元同樣也要解決石墨烯單晶材料帶隙的問題，他使用的方法，也是這種。

這條路，其實是對的，只不過各國并沒有找到的合適的材料而已。

或者說，他們找到了適合的材料，但是做不到將那種材料作為基底附著在石墨烯單晶晶圓上。

紫筆文學