物联网领域石墨烯还无法代替硅

石墨烯的应用范围很广，在物联网领域，应用石墨烯的研究也逐渐崭露头角。

网络传输

如果你比较关注物联网，你会发现物联网的所有设备都需要上传数据到网络。当今的网络连接设备主要是使用硅材料制作的，网络传输速度已经逐渐达到了瓶颈，尤其是当它涉及到了频段传输数据。

虽然大部分设备都是用MEMS和MOS标准，但是它实现的频率范围一直在较低的水平，这就注定了传输的速率不会更高。

近日，在瑞士洛桑联邦理工大学的研究人员宣布，他们发现了一种新的应用石墨烯的技术，可以帮助物联网设备达到前所未有的传输速率。

他们将研究结果发表到了《纳米快报》上，其装置用来替代可调谐电容器，主要能通过不同频率的调谐信号，这样就可以在很宽的频带范围内操作，更主要的是可以通过2.1GHz以上的高频。

整个元件基于夹层结构，利用其中的量子阱中的二维电子云表现非常像量子电容的特点，可以让其在很低的电压下，调谐多个频率。

“其实主要由电压来控制的，我们可以'调节'电压来控制频率。就像使用传统的收音机一样，我们调节不同的频率，就能收听不同的台。”主要研究者克拉拉·摩尔多瓦说。

光电传感器

石墨烯对物联网的改变，远不止传输速度。它在数字逻辑电路中有一个巨大的劣势，就是其缺少固有的间隙。这会让石墨烯细说所有可见、红外和太赫兹各种频率的光。这个特点，让光电领域的研究者对石墨烯的研究大大减少。

但是现在，有一个由欧洲委员会资助的十年十亿石墨烯旗舰项目。其中的一批研究者已经成功的把石墨烯做到了硅芯片上，使之成为高响应的肖特基势垒光电探测器。

这样的光电探测器是由金属和半导体之间的结形成的。由于光电探测器是光电过程的一个关键部分，这项研究成果可以减少处理和转移信息的消耗，是物联网广泛应用的另一个关键成果。

这篇研究也发表在《纳米快报》上，这个以石墨烯为基础的光电探测器，在二极管发射1.55微米波长的光照射的时候，可以输出0.37安培的电流。这种超高的光电转换效率目前只有硅鍺光电探测器能够达到。

普通的硅基探测器可以用于检测可见光，但是当遇到近红外光的时候，就探测不到了。因为红外线光子的波长不够弥补硅的间隙。由于这个原因，光电探测器被改进成了硅与锗的组合。但是由于工艺复杂，制备过程也比较困难。如果采用石墨烯-硅组合制作新型的光电探测器，成本会大幅降低。

“目前石墨烯可以让光电传感器更便宜，更简单，工作的波长范围更广。这些特点对比传统光电传感器都是非常有竞争力的。”剑桥大学石墨烯中心的安德烈·法拉利教授说。

对于物联网的光通信来说，石墨烯光电传感器是第一步，在未来两年，主要目标是将传感器集成，然后让这个传感器做到真正的能在现实中使用。这样，两年之后，研究的分支将会扩展到光电调制和光电探测器方面。

法拉利补充道：“我们已经证实了传感器的潜力，但我们需要制作一个关于石墨烯探测器的完整的系统，这样，低能耗、高效率的光通信传感器就能在真正的解决实际问题了。”

集成电路

以上这些石墨烯的技术。如果说改变并不算惊人的话，那下面这个研究可能会改写所有集成电路的未来。

科学家首次使用石墨烯和辉钼矿制作和原子层厚度的电路，这样的电路使用化学反应就可以大量制得。相比以前使用二维材料制作电路是用的精准组装的方法，现在直接化学反应生成的办法就方便多了。

研究者们希望这种原子层厚度材料遵守摩尔定律，在硅材料无法进步时，作为硅的替代品成为新一代半导体。“纳米技术一个最大的驱动力就是寻找硅材料的替代品，来满足摩尔定律。”加州大学伯克利分校的材料科学家张翔（音译）说。

现在的研究主要放在新一代的电子材料上，其典型代表是石墨烯和辉钼矿。石墨烯是一种非常优良的导体，非常适合用来布线和互联。同样因为石墨烯缺少电子间隙，这就意味着不能把石墨烯用在晶体管中，而辉钼矿/二硫化钼与石墨烯正好相反，他们有电子间隙。

目前来看，组装导电材料和精密半导体很难，制造原子层厚度的电路也是一件更难的事。但是现在科学家使用石墨烯和辉钼半导体制作出了晶体管和电路。

早前的研究重点主要放在如何将不同的材料组装成超薄的电子器件，而现在，科学家们尝试改用化学的办法大规模生长电子器件。

研究者首先把石墨烯转印到硅胶上，然后使用等离子刻蚀把通道图形刻在上面，接着他们使用化学气相沉积的办法在图形周围生长辉钼矿，直到生长完全，这时辉钼矿会在石墨烯上积累的厚度接近100到200纳米。

这样生产出来的晶体管，不但质量与物理装配方法得到的晶体管类似，而且还具有较高的电子迁移率，科学家用这样的方法还具体的做出了一些逻辑电路。如变频器、非门。其中，变频器的效果非常好，可以实现70的电压增益。

“这些晶体管做成的变频器和逻辑电路，证明了这种新方法是可行的。”这个研究的另一位作者MervinZhao说：“这次实验是对新电路的第一次试水，证明这种方法是可行的，而且这种办法可以用来制作更复杂的电路，未来的电脑也可能完全使用这样的二维材料制作。”

石墨烯会代替硅吗？

前文的所有使用的石墨烯，都是只有原子层厚度的石墨烯。石墨烯对物联网的改变还处在试验阶段，目前的实验结果看来是非常有潜力的。

但是石墨烯会替代硅材料成为新一代的半导体的主体吗？答案是否定的。

科学家阿德里安·约内斯库说：“有一部分人说，石墨烯在有一天会取代硅技术。但实际上，把石墨烯与硅结合才能组合出最优异的电子元件。”

把石墨烯这种材料用在合适的位置，才会达到最好的结果。

生命充满惊喜，石墨烯也是。