石墨烯技术新突破：走向电路

　　晶体管作为基本材料，构成了现代的各种电子设备。根据其作用是放大还是开关电子信号，可以把它们划分为放大器和开关。晶体管开关构成了所有数字电路，在电脑中就是这样，它们控制开关操作。晶体管放大器插入电路，就可以放大电流、电压或功率。

　　业界一直在不断地缩小晶体管，尺寸越来越小。英特尔已经展示了22纳米大小的静态存储器（SRAM）电路，面积小如指甲，却能容纳29亿个晶体管。现在，纳米技术研究人员正忙于从头开始制造晶体管（例如，可参阅《研究人员制造晶体管只用7个原子》）。

　　石墨烯是 “最热门”的一种材料，在纳米电子学实验室就是这样。这种材料能持续导电，在理论上，甚至在极限的零载流子浓度（carrier concentration）也能导电，因为电子似乎并不会慢下来或停留在某处。最终的纳米尺寸的晶体管被称为弹道晶体管（ballistic transistor），在这种晶体管中，电子就避免了碰撞，也就是说，就有了几乎是畅通无阻地流动的电流。弹道导电将会带来快得令人难以置信的切换装置。石墨烯有望实现的弹道晶体管可适于室温。

　　但是石墨烯研究人员也在进行其他的实用性研发。比如，最近的工作会制成一种石墨烯放大器，它可降低通信电路的复杂性，这种通信电路用于无线应用，比如蓝牙和射频识别技术（RFID），这种放大器还可以提高通信电路的速度。

　　到目前为止，还没有研究报告探讨过石墨烯基质的晶体管放大器，也没有研究过这种放大器的现场可控性如何适用于模拟、混合信号以及射频（RF）应用。先前，研究石墨烯晶体管主要是集中在倍频，接近石墨烯电流-电压特性中的狄拉克点（Dirac point）。

　　但是现在，莱斯大学（Rice University）和加利福尼亚大学河滨分校的一组研究人员演示了第一款三模（triple-mode ）石墨烯放大器。该小组的成员有卡提克•莫汉拉姆（Kartik Mohanram），他是莱斯大学电气和计算机工程助理教授，亚历山大•巴兰丁（Alexander Balandin）是加利福尼亚大学河滨学院电气工程教授，也是材料科学与工程主任，还有他的研究生杨学倍（Yang Xuebei）和刘广熊（Liu Guanxiong）。莱斯大学的研究人员谙熟电路设计和优化，加州大学河滨分校的研究人员精通石墨烯和石墨烯设备制造。

　　运用他们互补的专业知识，莱斯大学和加利福尼亚大学河滨分校的小组经实验表明，利用石墨烯中电荷传输的双极性（ambipolarity），放大器可以配置为同源性（common-source）、共漏性（common-drain）或倍频运作模式，这只需改变栅偏压（gate bias）就可以。

　　首次演示的这种单晶体管放大器，可以调整采用不同的运行方式，都可以使用单一的三端（three-terminal）晶体管。而且，在其运行中，石墨烯放大器配置可现场切换不同的模式。这一研究结果标志着又一个重大进步，将推动石墨烯应用于电子工业。

　　这是一项重要的石墨烯技术进展，即将刊登在《美国化学学会纳米技术》（ACS Nano）杂志上（《三模单晶体管石墨烯放大器及其应用》）。预览该论文可上arXiv网站。

　　“这项工作表明，石墨烯电路可实现的调制是必需的，否则无法实现相移键控（phase shift keying）和频移键控（frequency shift keying），这两种技术广泛适用于无线应用领域，如蓝牙、射频识别技术和无线个域网（ZigBee），”莫汉拉姆向《纳米工厂》（Nanowerk）杂志解释说，“对于这样的应用，常规设计所采用的复杂设计技术是基于多重单极晶体管，与此相比，我们研制的放大器有很多优越性，结构简单、寄生性低、高带宽和较低的功耗。已经取得的进步是在石墨烯基质薄膜方面，这种薄膜可用于制备透明和可印刷的电子产品，这样简单的电路具有高性能和现场配置功能，这些都必然带来大规模集成和产业化”。

　　巴兰丁说，对今后的工作，小组计划采用更先进的顶栅（top-gate）晶体管，这将使他们取得更高的成就，这是因为小得多的栅氧化层（gate oxide thickness）厚度。“在我的实验室，我们已制成并实验演示顶栅（top-gate）石墨烯晶体管，它具有低闪烁的1/f 噪声。”他说。“低噪音运行的石墨烯晶体管是任何模拟和通信应用所必需的”

　　莫汉拉姆补充道，“理想的情况是，放大器的增益系数应大于之一。然而，这涉及到语义描述，而且有几个例外存在。例如，共漏放大器有一个理论电压增益率，总是小于1。但我们仍然称之为‘放大’。它的电流放大在理论上是很大的。”

　　他指出，减少栅氧化层厚度，制造更强大的晶体管，这将有助于提高增益率。“在双极电路设计领域，有很多方面有待探索。我们所说明的是，甚至研究常规单晶体管放大器，也能带来这么大的变化，改变我们电路设计的方法。”

　　使用石墨烯进行电路设计也有助于解决热管理问题，这些问题存在于先进的高速高集成密度芯片中。众所周知，石墨烯有着很好的传热性。我们先前曾报道，发现了具有耐热性能的石墨烯，就是在巴兰丁的实验室发现的（“凉性”的石墨烯可理想地用于纳米电子学中的热管理）。