目前，我們使用的芯片主要是硅基芯片，也就是說芯片是由硅材料制成的。隨著電子產品變得越來越小，芯片也逐漸變小。這就為硅基芯片帶來了問題：硅基芯片真的不能再小了，電子管也不能再小了。

用石墨烯代替硅

既然硅基芯片已經走向了瓶頸，為了解決問題，很多科學家把目光投向其他材料。天津大學和美國佐治亞理工學院的聯合研究團隊開發出世界第一個石墨烯功能半導體。這項研究發表在 2024 年 1 月 3 日的《自然》雜志上。

石墨烯是優質的芯片材料，乃至多種半導體材料的候選人，但為什么過去幾十年來，從沒人用石墨烯為材料來制作芯片呢？原因在于，石墨烯沒有合適的帶隙，換句話說，石墨烯不能像其他材料的半導體元件那樣，通過外加電壓或光照來控制電流的開關。這就限制了石墨烯元件的使用。

為此，中美研究團隊想到了一種特殊的“熔爐”—— 準平衡退火方法。利用這種特殊的熔爐，研究團隊使石墨烯在碳化硅晶圓上生長出來，生長出外延石墨烯，從而使石墨烯體現出類似半導體的特性。為采用石墨烯為材料制造芯片，搬開了最后一塊絆腳石。

2011 年，IBM 公司研發出世界首個石墨烯集成電路。這個集成電路被應用于無線電收音機，但研發人員依舊沒有解決帶隙的問題。（圖片來源：IBM）

摩爾定律不會終結

1965 年，英特爾公司的聯合創始人戈登?摩爾（Goldon Moore）預言，處理器的計算速度大約每兩年翻一倍。這就是“摩爾定律”。

摩爾定律當時只是摩爾的一個預測，不過后來計算機行業的發展也確實按照摩爾的預測來的。電子元件越來越小，使用的芯片也隨之變小，芯片的速率卻越來越快了。不過，花無百日紅，萬事都有個度。芯片的發展也是如此，因為芯片上集成的晶體管的大小已經接近了極限，真是不能再小了，否則就會受到量子效應的干擾。

那么問題來了，對于現在的硅基芯片來說，晶體管不能再小了，芯片上不能集成更多的晶體管，如何繼續提升芯片的速率？摩爾定律即將終結了嗎？

正因如此，科學家才開始尋找新的替代材料。這次中美科學家開發出的首個石墨烯功能性半導體就能完美解決這一問題。經過研究團隊的測量，在室溫條件下，石墨烯功能半導體的遷移率高達 5000cm2?/Vs，比硅基半導體高 10 倍，與其他二維半導體相比也高了 20 倍。而且，它的帶隙為 0.6eV，完全克服了石墨烯材料帶隙的問題。

更高的遷移率意味著更快的切換速度。也就是說，如果用石墨烯制造芯片，芯片的計算速度將更快，GPU、CPU 這樣的設備可以更高效地完成任務。

這項研究的負責人之一、佐治亞理工學院的物理學教授沃爾特?德?黑爾（Walter de Heer）用了這樣一個比喻來形容石墨烯功能半導體的優勢，他把石墨烯功能半導體比作高速公路，而諸如硅基半導體的其他半導體則是石子路，很顯然在高速公路上行車的效率更高，車輛不會過快升溫，更重要的是速度更快。

那么，如果用石墨烯制造芯片，芯片將擁有更快的速率。這樣，也就不必再在大小有限的芯片上集成更多的晶體管了。換句話說，摩爾定律不會終結。

不僅如此，在化學性質、機械性能和熱性能方面，石墨烯材料也比傳統的材料更有優勢。