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石墨烯是單層碳原子，分布在強(qiáng)壯但是稀薄的晶格上。斯坦福大學(xué)電氣工程師H.-S. Philip Wong說(shuō)，這種用石墨烯包裝導(dǎo)線的晶體管的特性使得數(shù)據(jù)交換的速度可能比當(dāng)前更快。隨著晶體管的體積不斷縮小，石墨烯的優(yōu)勢(shì)在未來(lái)將變得更明顯。

圖片說(shuō)明：Ir(111)上石墨烯通過(guò)隧道顯微鏡(STM，Scanning tunnelling microscopy)掃描的圖像，圖像大小為15 nm 15 nm。圖片來(lái)源：ESRF

典型的計(jì)算機(jī)芯片包括數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的晶體管與廣泛的銅線網(wǎng)絡(luò)。雖然芯片導(dǎo)線相比家用電線又短又薄，但是二者有一個(gè)共同點(diǎn)：銅絲都用保護(hù)套包裹著。

多年來(lái)，氮化鉭材料被用于制作芯片導(dǎo)線的保護(hù)層。

目前，斯坦福大學(xué)(Stanford University)主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)表明，另一種保護(hù)材料--石墨烯，可以使得電子更快速地通過(guò)微小的銅導(dǎo)線。

石墨烯是單層碳原子，分布在強(qiáng)壯但是稀薄的晶格上。斯坦福大學(xué)電氣工程師H.-S. Philip Wong說(shuō)，這種用石墨烯包裝導(dǎo)線的晶體管的特性使得數(shù)據(jù)交換的速度可能比當(dāng)前更快。隨著晶體管的體積不斷縮小，石墨烯的優(yōu)勢(shì)在未來(lái)將變得更明顯。

他說(shuō)：研究人員在芯片的所有其他組件方面已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步，然而直到最近在改善導(dǎo)線的性能方面還是沒(méi)有太大進(jìn)展。

Wong領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)6人團(tuán)隊(duì)，其中包括來(lái)自威斯康星大學(xué)麥迪遜分校(University of Wisconsin-Madison)的兩名研究人員。他們將在京都舉行的超大規(guī)模集成技術(shù)和電路研討會(huì)上展示他們的發(fā)現(xiàn)。

Ling Li是斯坦福大學(xué)一名電氣工程專(zhuān)業(yè)的研究生，且是該論文的第一作者，她解釋了為什么改變連接電線的外部包裝可以對(duì)芯片性能產(chǎn)生如此重大的影響。

這個(gè)保護(hù)層具有雙重作用：既隔離銅和芯片上的硅，也用于導(dǎo)電。

對(duì)于硅芯片，晶體管就像可以通斷電子的微小通道，這種開(kāi)關(guān)功能正是晶體管處理數(shù)據(jù)的過(guò)程。

一旦數(shù)據(jù)被處理后，晶體管間的銅線就會(huì)傳輸這些數(shù)據(jù)。

當(dāng)前的絕緣材料氮化鉭，能阻止銅遷移到硅晶體管，并使其不能發(fā)揮作用。

為什么想到了石墨烯?

兩個(gè)原因，首先是電子元件體積日趨變小的需求。

當(dāng)斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用目前最薄的氮化鉭層來(lái)實(shí)現(xiàn)此絕緣功能時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)該行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)比石墨烯層厚八倍。

其次，石墨烯作為保護(hù)層的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，區(qū)別芯片導(dǎo)線與家用電線的外部保護(hù)層工作機(jī)制的不同，而這是至關(guān)重要的。

家用電線外層的目的主要是絕緣，以防止觸電或火災(zāi)。

對(duì)于芯片而言，如果銅原子滲入硅，晶體管將停止工作。因此，芯片上的保護(hù)層是為了隔離銅和硅。

斯坦福大學(xué)的實(shí)驗(yàn)表明，石墨烯可以實(shí)現(xiàn)此隔離的作用，同時(shí)還具有導(dǎo)電功能。其晶格結(jié)構(gòu)允許電子沿著導(dǎo)線直接從一個(gè)碳原子飛躍到另一個(gè)碳原子，同時(shí)能有效地將銅原子約束在銅導(dǎo)線內(nèi)。

石墨烯層擁有如此薄的厚度，以及隔離、導(dǎo)電的雙重作用，這些優(yōu)點(diǎn)使得這一新技術(shù)能在晶體管之間傳輸更多的數(shù)據(jù)，從而提高芯片整體性能。

目前，該芯片的優(yōu)勢(shì)還不太明顯，石墨烯隔離器可以將線速?gòu)?%提高到17%，這取決于線的長(zhǎng)度。

但隨著晶體管和導(dǎo)線的尺寸不斷縮小，超薄且具有導(dǎo)電性的石墨烯的優(yōu)勢(shì)將更明顯。斯坦福大學(xué)的工程師們預(yù)計(jì)，再過(guò)兩代，該技術(shù)能將線速提高到30%。

斯坦福大學(xué)的研究人員認(rèn)為，更快的運(yùn)行速度的希望將促使其他研究人員對(duì)導(dǎo)線的研究產(chǎn)生興趣，這也有助于人們將該技術(shù)引入實(shí)用。

石墨烯生長(zhǎng)技術(shù)，尤其是在芯片量產(chǎn)中直接在導(dǎo)線上生長(zhǎng)石墨烯的技術(shù)，是該技術(shù)中的一個(gè)重要部分。除了與同來(lái)自威斯康星大學(xué)的教授Michael Arnold合作外，Wong還借鑒了普渡大學(xué)(Purdue University)Zhihong Chen教授的想法。Wong注意到使用石墨烯作為隔離器的想法來(lái)自于美國(guó)康奈爾大學(xué)(Cornell University)教授Paul McEuen，他是這個(gè)領(lǐng)域的開(kāi)拓者。加州大學(xué)河濱分校(University of California-Riverside)的Alexander Balandin對(duì)在芯片中使用石墨烯也作出了相當(dāng)杰出的貢獻(xiàn)。

Wong說(shuō)：長(zhǎng)久以來(lái)，電子行業(yè)將受益于石墨烯的說(shuō)法頗為盛行，而將石墨烯作為芯片中銅隔離層或許是將該預(yù)言變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的第一步。