研究人员将煤炭转化为下一代电子设备使用的高纯度材料

用肯塔基州东南部开采的蓝色宝石烟煤加工而成的高质量二维碳制造的含有忆阻器的晶片，图中展示了两个样品。资料来源：伊利诺伊大学香槟分校 Grainger 工程学院

伊利诺伊大学香槟分校、国家能源技术实验室、橡树岭国家实验室和台湾半导体制造公司（TSMC）联合开展的一项研究表明，煤炭在下一代电子设备中可以发挥重要作用。

伊利诺伊大学材料科学与工程系教授、该合作项目的共同负责人 Qing Cao 说："人们通常认为煤是又笨又脏的东西，但我们开发的加工技术可以将煤转化为只有几个原子厚的高纯度材料。它们独特的原子结构和特性非常适合制造一些性能优于最先进技术的最小电子器件。"

NETL开发的一种工艺首先将煤炭转化为被称为"碳点"的纳米级碳盘，I.U.研究小组证明这种碳盘可以连接起来形成原子级薄膜，应用于二维晶体管和忆阻器，这些技术对于构建更先进的电子器件至关重要。这些成果发表在《通信工程》杂志上。

完美的二维电子器件

在不断寻求更小、更快和更高效电子器件的过程中，最后一步将是使用只有一或两个原子厚度的材料制造器件。设备的尺寸不可能小于这个极限，而小尺寸往往使其运行速度更快，能耗更低。虽然超薄半导体已被广泛研究，但要构建晶体管和忆阻器等工作电子器件，还需要原子级薄的绝缘体--阻断电流的材料。

具有无序原子结构的原子级碳薄层可以作为构建二维设备的绝佳绝缘体。合作研究人员已经证明，这种碳层可以由煤炭中提取的碳点形成。为了证明他们的能力，Cao 领导的伊利诺伊大学小组开发出了两种二维设备。

Cao说："这确实令人兴奋，因为这是煤炭这种我们通常认为技术含量不高的东西第一次直接与微电子学的尖端技术联系在一起。"

晶体管电介质

研究小组在基于半金属石墨烯或半导体二硫化钼的二维晶体管中使用煤炭衍生的碳层作为栅极电介质，使设备的运行速度提高了两倍多，同时能耗更低。与其他原子级薄材料一样，煤炭衍生的碳层不存在"悬空键"或与化学键无关的电子。传统的三维绝缘体表面存在大量的这些位点，它们通过有效地发挥"陷阱"的作用而改变了绝缘体的电气特性，减缓了移动电荷的传输速度，从而降低了晶体管的开关速度。

然而，与其他原子级薄材料不同的是，新型煤碳层是无定形的，这意味着它们不具有规则的晶体结构。因此，不同结晶区域之间没有边界，而这些边界是导致"漏电"的传导路径，即不希望有的电流流经绝缘体，并在设备运行期间造成大量额外功耗。

晶体管灯丝

小组考虑的另一项应用是忆阻器--一种既能存储数据又能对数据进行操作的电子元件，可极大地促进人工智能技术的实施。这些器件通过调节一对电极之间的电化学反应形成的导电丝来存储和表示数据，中间夹着绝缘体。

研究人员发现，采用超薄煤炭衍生碳层作为绝缘体，可以快速形成这种低能耗的导电丝，从而以较低的功率实现较高的设备运行速度。此外，这些煤衍生碳层中的原子尺寸环还能限制丝状物，从而提高设备运行的可重复性，从而增强数据存储的保真度和可靠性。

从研究到生产

新开发的器件为在二维器件中使用煤衍生碳层提供了原理证明。剩下的工作就是证明这种器件可以大规模制造。

Cao说："半导体行业，包括我们在台湾半导体公司的合作者，都对二维器件的能力非常感兴趣，我们正在努力实现这一承诺。未来几年，I.I.大学将继续与 NETL 合作，开发一种可在工业环境中实施的煤基碳绝缘体制造工艺。"

编译来源：ScitechDaily