美國密西根理工大學(Michigan Tech)透過結合石墨烯的高電子遷移率與氮化硼碳奈米管(BNNT)的絕緣層特性，期望開發(fā)出尺寸較矽(Si)更小且更具熱效能的無半導體 (semiconductor-less)異質接面電晶體，從而在國際半導體技術藍圖(ITRS)預期的2028年大限時接棒。

　　“我們 對于這個研究主題的興趣在于打造完全不使用半導體的電子元件。盡管其他人正致于解決矽基電晶體的根本問題，我們則大膽地從探索不使用半導體的電路著手。由于石墨烯提供了高電子遷移率，將它應用在數(shù)位交換器時，可帶來具有吸引力的研究里程碑，”密西根理工大學教授Yoke Khin Yap表示，“研究結果顯示在石墨烯上生長電子絕緣BNNT，可利用石墨烯帶來高效益的數(shù)位交換器?！?/p>

　　過去幾年來，石墨烯已經成為各種先進研究的主題，但大部份的研究都著重于其零能隙特性進一步調整或加以摻雜，期望使其作為傳統(tǒng)半導體的替代材料。然而，密西根理工大學則保留石墨烯零能隙 導體的特性，進一步為其結合寬能隙的絕緣體BNNT，期望打造出一種矽晶無法超越的超高密度異質接面結構。

　　密西根理工大學日前與美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)共同發(fā)表具有金量子點(QD)的BNNT，使其一種像穿隧電晶體一樣電子可在量子點之間跳躍的元件；這篇名為“帶金量子點功能 的BNNT室溫穿隧行為”(Room-Temperature Tunneling Behavior of Boron Nitride Nanotubes Functionalized with Gold Quantum Dots)的報告已經發(fā)表在《先進材料》(Advanced Materials)期刊中。

　　研究人員在發(fā)現(xiàn)石墨烯具有相容于氮化硼的晶格結構后，除去了在其介面上的電子散射，他們認為可共同利用于創(chuàng)造出像電晶體般行為的異質接面。

　　結合石墨烯(灰色)的化學結構與BNNT(粉紅和紫色)，成為打造無半導體數(shù)位交換器的關鍵。

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　 　“我們最先發(fā)布于2013年《先進材料》中的首項成果是基于金量子點之間的量子穿隧行為。量子點之間的實體間隙主要用于制作阻止電子流的潛在障礙(“關 斷”狀態(tài))，”Yap 說?！澳壳搬槍κ?BNNT異質接面的研究，由于半金屬石墨烯與寬能隙BNNT之間的狀態(tài)密度(DOS)不匹配，形成防止電流流經接面(“關斷”狀 態(tài))的穿隧阻障層。在充份施加電場后，彎曲能帶使量子穿隧跨越阻障層，從而開啟了開關。”

　　為了實現(xiàn)石墨烯/氮化硼異質接面，研究團隊在 剝落的石墨烯單層蝕刻針孔，并從中生長BNNT——由于晶格匹配——使其分別形成電晶體般的異質接面。在以掃瞄電子顯微鏡(SEM)即時監(jiān)測期間，室溫下 以四探針掃瞄穿隧顯微鏡(STM)進行特性化后，研究人員們發(fā)現(xiàn)僅開啟0.5V電壓時的交換率高達105。Yap認為，新的特性是在利用密度泛函理論 (DFT)模擬后由于DOS不匹配所致。

　　灰色石墨導電基底可生長絕緣的BNNT，從而形成無半導體電晶體的異質接面。

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　　接著，研究人員希望采用石墨烯的原子單層進行研究，最終開發(fā)出像矽電晶體般的三端元件，但在關斷狀態(tài)期間需要更高速度以及缺少半導體泄漏電壓，因而大幅降低了功耗以及材料的作業(yè)溫度。

　　“我們的下一個里程碑是打造石墨烯- BNNT異質接面與單層石墨烯薄層，”Yap說，“我們也正探索三端元件的設計，例如，利用一個環(huán)繞閘極的設計?！?/p>

　　從金量子點穿隧到BNNT的其他元件，密西根大學的研究人員制作出量子穿隧元件，可在室溫下表現(xiàn)得像電晶體一樣，而不必使用半導體材料。

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　　據(jù)Yap，石墨烯本身速度太快了，只能作為導體應用，而氮化硼能隙過大，無法實現(xiàn)絕緣體以外的其他應用，但結合二者使用卻相得益彰，實現(xiàn)如電晶體般的異質接面，不僅速度比矽更快，而且功耗還更低，在關斷時幾乎不耗電。

　　這項研究由美國能源署(DOE)、美國陸軍研究實驗室(U.S. Army Research Laboratory)武器與材料局(WMRD)共同贊助，并在奈米材料科學中心(CNMS)與整合奈米技術中心(CINT)進行研究。