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實用石墨烯邏輯閘問世

義大利與美國研究人員聯手開發出第一個能在大氣環境及室溫下正常運作的石墨烯(graphene)邏輯閘積體電路。該元件是第一個輸入與輸出的數位訊號電壓相匹配的石墨烯邏輯閘,而且是整合在易於大面積生產的石墨烯上,有利於未來此類碳基電子元件的量產。這項成果可望成為石墨烯邏輯電路發展上的重要里程碑。

為了製造計算能力更強大的電腦,電子元件須以更快的速度進行簡單邏輯運算。一般的矽晶片受限於矽材料內電子的運動速度(即載子遷移率),而單原子厚的「神奇材料」石墨烯則可望克服此問題,因為電荷載子能以極高速度在石墨烯內運動,行為類似無靜止質量的迪拉克(Dirac)粒子。

圖片來源:nanotechweb.org

米蘭理工大學(Politecnico di Milano)的 Roman Sordan 團隊曾於 2009 年以互補式反相器打造出第一個石墨烯積體電路。該元件儘管功能完備,並不適實際應用,因為它是製作在剝離(exfoliated)的石墨烯上,無法擴大到工業量產規模。另外,該元件輸入與輸出訊號電壓也不匹配,無法用來製作串級電路,也就不能具有複雜的邏輯運算功能。其他研究團隊曾嘗試製作輸入輸出信號匹配的石墨烯反相器,不過仍只能在低溫環境下工作,且依舊採用剝離石墨烯樣本。

最近,Sordan 的團隊結合伊利諾大學厄巴納香檳分校 Eric Pop 的團隊,利用了化學氣相沉積法(CVD)所成長的晶圓級石墨烯來製作石墨烯反相器,該元件不僅具有相匹配的輸入輸出訊號電壓,而且能在室溫及大氣環境下工作,所獲得的元件電壓增益值更高達 5.3,已符合工業要求。研究人員採用了自我對準的元件設計,並且將多個石墨烯邏輯閘串接成更為複雜的邏輯電路。

Sordan 表示,許多人對於石墨烯邏輯閘能否應用於真實世界抱持懷疑,他們的實驗證明了石墨烯邏輯閘的確可在正常環境中運作。事實上,這些邏輯閘的電壓擺幅(voltage swing)已經超越射極耦合邏輯閘(emitter coupled logic gate)。不過,由於功率消耗過高,此石墨烯邏輯閘目前並不適合低功率應用。詳見近期的 Nano Letters|DOI: 10.1021/nl301079r。

譯者:翁任賢(成功大學物理系)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:Graphene logic for the real world—nanotechweb.org [2012-08-03]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-08-18]

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