第四百一十章：性能优异的石墨烯晶圆
直播间内，观众对于石墨烯晶材上的裂纹议论纷纷。
一些人感觉这次石墨烯制备失败了，另一部分人则认为有裂纹很正常。
毕竟芯片的面积只有那么一点点大，有裂纹也不影响整体的取件。
就像一块两三吨重的翡翠中有大裂也不影响它取手镯啊。
更何况韩元一直以来无论是制造什么东西都一次成功给观众留下了深刻的印象。
这让部分观众觉得一次成功属于必然的事情。
.......
看了眼虚拟屏幕上的弹幕，韩元苦笑了一下回道：“这一块石墨烯的确有可能出问题了。”
“上面的裂纹并不像翡翠一样那么简单。”
“石墨烯单晶质上有裂纹，是这一块材料整体的拉力释放不充分导致的，有裂纹, 就代表整块材料的晶形都可能变形了。”
“而形变了的晶材，是没法用来切割制造石墨烯晶圆的。”
顿了顿，韩元又补充道：
“当然，现在还只是初步的判断，具体情况如果，还需要通过专门的仪器来进行检测。”
“不过大概率这块石墨烯单晶材料已经没用了。”
韩元摇摇头, 将手中的石墨烯晶材装入专用的仪器中, 然后带向化学实验室的另一个房间中。
化学实验室中有很多专用的检测仪器，自从得到中级工业设备应用知识信息后, 他就对化学物理实验室以及冶炼厂等地方的设备做了一个全面的升级。
不说各种冶炼设备，就是各种检测设备也比以前高级多了。
向红外光谱仪、元素分析仪这些设备都是自带芯片并连接着中央计算机的。
分析检测出来的数据会自动传递到中央计算机里面，只要有网络，韩元可以在任何一个角落查看各种数据。
.......
一番折腾，有关这块新制备出来的石墨烯单晶材料的各种检测数据终于齐全了。
韩元翻阅了一下屏幕上的各种数据，摇了摇头叹了口气。
从红外光谱仪上的数据来看，这块石墨烯单晶材料的确是有问题的。
沿着y字型裂缝边，整块材料有一大半的地方晶体结构都扭曲了。
这是肉眼看不出来的地方。
就像原本平铺没有任何皱纹的床单，被人滚了一通后，上面就满是扭曲的纹路了。
虽然肉眼看不到这些扭曲的纹路，但对于它的用途来说，这块材料已经废了。
石墨烯晶圆虽然对于面积的要求并不大，其大小有四五个大拇指的指甲大小就够了，但它和硅晶晶圆一样，对于材料本身的要求相当高。
而这些因为裂纹张力导致的扭曲纹路，会对整块材料都造成极大的影响, 这些错乱的纹路, 会导致电子在整块芯片中乱串，根本就无法用于芯片上。
即便是还有少部分未被扭曲的地方，韩元也不敢使用。
这些未被扭曲的地方或许完好，但在一定的概率上还是有问题的，重制一块比较稳妥。
当然，在重制之前，他得找到这块石墨烯单晶材料为什么会出现裂纹，并处理掉，确保下一次的制备不会再次出现。
.......
韩元在实验室中寻找着石墨烯单晶材料出现问题的原因。
而蹲守在直播间里面的各国专家对韩元会如何解决这个问题很是好奇。
特别是华国研究石墨烯晶材的专家。
因为这個问题他们也碰到了，而且在一定程度上并未能解决。
众所周知，石墨烯是单层的碳原子组成的平面结构，而但这个平面结构中的原子数量不够时，就会因为张力等问题导致石墨烯平面出现原子键断裂，进而出现了裂缝。
这个问题，在石墨烯薄膜中广泛存在。
这是一种释放压应力而产生的线性缺陷，普遍存在于石墨烯薄膜中。
与其说是裂缝问题，不如说是石墨烯晶材的‘褶皱’问题。
如果只是单纯的裂缝存在并不会影响石墨烯材料的品质，避开裂缝选取晶圆就行。
但裂缝周边扭曲的皱褶，会使石墨烯的电学性质大大降低。
目前华国处理石墨烯晶材生长过程中出现的‘褶皱’问题主要有三条途径：
第一，低温生长；
相比较高温生长环境，低温生长会极大的削弱石墨烯晶材的应力问题, 自然也就不会出现褶皱了。
第二、选用热膨胀系数低的单晶衬底；
第三、减弱石墨烯与衬底之间的界面相互作用。
这三个办法是华国研究了数年才找出来的方法，能解决掉石墨烯晶材上的皱褶问题，但同时也带来了新的麻烦。
那就是采用这三个方法处理石墨烯晶材的褶皱问题会显示石墨烯晶材生长的面积大小。
对于几乎没有催化活性的绝缘衬底，会导致石墨烯成核密度过高，生长速率过慢，单晶畴区尺寸多为百纳米级别，较少会出现微米、毫米级别的单晶材料。
而这个畴区尺寸的石墨烯单晶材料是无法用作石墨烯晶圆的。
如果说要批量生产英寸级别的石墨烯晶圆的话，需要的时间又相当长，有些得不偿失。
毕竟碳基芯片的性能再优异，也是需要一定的面积来支撑里面晶体管的数量的。
晶体管的数量提升不起来，这块芯片的性能也根本无法提升。
所以目前华国中科院成功研制出8英寸石墨烯晶圆片，使用的石墨烯单晶制备方法并不是化学气相沉积法。
而是使用的另外一种实验室制备法。
问题在于这种实验室制备法批量生产的成本很高，利用这种方法去生产石墨烯晶圆的话得不偿失。
中科院一直在寻找低成本制造石墨烯晶圆的办法，气相沉积法就是其中研究的重点。
但很可惜在解决了褶皱问题后，石墨烯单晶材料的生长面积又遭到了限制，让人很是气馁。
所以对于韩元会如何解决石墨烯单晶材料上的褶皱问题，华国的专家尤为期待。
.......
显示屏前，韩元仔细的检查着石墨烯单晶材料的检查数据以及在生产制造过程中的记录日志。
这些东西结合起来检查，基本能找到问题所在的点。
谷芁
就像飞机失事后检查现场的零件碎片以及黑匣子日志一样，通过这两样东西，基本能还原飞机失事时的场景。
很快，通过高温冶炼炉记录下来的数据信息吉和红外光谱仪的检查数据，韩元找到这块石墨烯单晶材料了为什么会出现裂纹的原因。
其实原因相当简单，那就是他之前失误了，使用的单晶镍基底材料过大，导致单体面积上的碳粉、石墨粉末这些材料不够量。
最终导致碳原子在加热重构到了一定程度后，形成的石墨烯单晶材料在冷却时因为自身的张力问题出现了晶体裂键的问题。
对于这种情况，解决办法并不算复杂，按照各种材料对应的比例增加份量就可以解决。
只不过根据材料的量需要同步修改高温冶炼炉中甲烷、乙烯等各种气体的含量、压强、制备时间等各种参数。
这对于韩元来说并不难，花费了一些时间，韩元重新调整了各种参数信息，开启了第二次的石墨烯制备。
.......
找到问题和解决方式后，韩元简单的讲解了一下导致问题出现的原因以及解决方法。
简单的按照各种材料对应的比例增加原料份量就可以解决石墨烯单晶材料的褶皱问题听得各国的专家口瞪目呆，不敢相信。
但很快，这些专家想起了韩元之前说过的话，也反应了过来到底是怎么回事。
其实原因很简单。
他们和对方处理石墨烯单晶材料上的褶皱方式之所以天差地别，其主要原因是引导石墨烯单晶材料生长的基底材料以及晶核不同。
比如在气相沉积法这一块，华国使用的基底材料是液态铜，使用的含氮分子‘吡啶’作为碳氮源。
利用了吡啶分子在铜箔表面的催化脱氢自组装效应来生成石墨烯。
而对方利用的是单晶镍作为基底，利用了碳化硅作为晶核生长，在这个基础上，石墨烯的褶皱问题已经被解决了。
第一次生产出问题，就是纯粹的原料不足问题导致的，并非热效应张力。
想明白到底是怎么回事后，各国专家或摇头或脸伤露出了无奈的苦笑。
亏他们之前还在想着对方是不是也没有掌握石墨烯的制备技术，现在看来，只不过是对方第一次生产制备石墨烯不熟练而已。
......
经过调整，第二次制备出来的石墨烯单晶材料比第一次制备出来的要厚一些，不过裂纹已经没有了。
一系列的检查过后，韩元拿着检测数据松了口气。
第二次制备出来的石墨烯单晶材料从各项数据上来看，是符合制备石墨烯晶圆的要求的。
整体结构为单晶、整体无褶皱、整体超洁净、杂质含量低于0.0001%。
这些是基础属性，除此之外，韩元还检测了这块石墨烯单晶材料的界面导热率、导电率等一系列的东西。
通过检测，可以从显示屏上的数据看到，这块石墨烯的载流子迁移率达到了160000 cm2·v 1·s 1。
相比较之下，单晶硅的载流子迁移率一般都在2500-3500 cm2·v 1·s 1之间。
载流子迁移率，是指固体物理学中用于描述金属或半导体内部电子，在电场作用下移动快慢程度的物理量。
这是一个物理属性，并不需要了解它的原理，但要知道这个物理属性对于芯片的影响。
第一，载流子迁移率和载流子浓度一起决定半导体材料的电导率（电阻率的倒数）的大小。
第二，它影响器件的工作频率。
很多人应该都听说过芯片的‘超频’，特别是一些个人电脑爱好者。
超频指的是把一个电子配件的时脉速度提升至高于厂方所定的速度运作，从而提升性能的方法。
通过超频，可以让电脑的性能更加优秀。
比如英特尔系列的酷睿i系列cpu，通过超频手段能做到跨级别性能对比。
同代的i3处理器，在超频下，性能堪比同代i5，甚至超越。
但超频有一个坏处，它就跟人体长时间高负荷的劳动一样，容易累到累进医院。
所以对于芯片的寿命有很大的影响。
而石墨烯单晶材料的优越性，在这一方面体现的淋漓尽致。
正因为石墨烯具有如此高的载流子迁移率，使得其可应用于超高频器件，使得thz成为可能（硅基芯片无论再怎么提升，其高频也只能做到ghz级别）。
如在典型的100 nm通道石墨烯晶体管中，载流子在源漏之间传输只需要0.1 ps。
除此之外，这一份石墨烯单晶材料的热导率为3800 w/（m·k），是目前人工合成可用于电子器件中最高的。
相比之下，单晶硅的热导率只有250w/（m·k），两者之间的差距有多大，一眼就能看出来。
而高热导率，对于大功率器件的界面散热作用显著，毕竟热量能及时传递出去。
这能够提高器件效率、延长器件寿命，有望用于集成电路的热管理。
无论是高载流子迁移率还是高热导率，都可以看出石墨烯单晶材料的优秀性能。
这是硅基芯片无可比拟的。
当然，有性能优异的地方，自然就有性能低下的地方。
石墨烯单晶材料的超高电子载流子迁移率来源于它本身缺乏固有带隙性。
而缺乏固有带隙限制了石墨烯在逻辑电路中的应用。
其实这一点相当容易理解，在石墨烯中运行的电子，就好像在高速公路上运行的汽车一样，一座座的收费站，是电子的开关，它引导每一颗电子前往的位置。
而石墨烯单晶材料，是一条比硅基芯片更加宽广的高速公路，但这条高速公路上没有收费站。
这导致在上面行驶的汽车，也就是电子，可以随意乱跑。
这是碳基芯片中使用石墨烯材料作为晶圆时必须要解决的一个重要难题。
对于这个难题，现实各国的做法是在石墨烯晶圆底下附加一层单晶硅或者碳化硅晶材。
从而做到实现带隙功能。
但这种方式有个较大的缺点，那就是无论使用单晶硅还是碳化硅晶材作为基底，都会影响芯片整体的运行效率。
不是哪一种材料都有石墨烯单晶这么高的载流子迁移率和热导率的。
即便是超高纯度的碳化硅晶材，在这两方面的效率都远低于石墨烯单晶材料。
后面韩元同样也要解决石墨烯单晶材料带隙的问题，他使用的方法，也是这种。
这条路，其实是对的，只不过各国并没有找到的合适的材料而已。
或者说，他们找到了适合的材料，但是做不到将那种材料作为基底附着在石墨烯单晶晶圆上。
.......
一些人感觉这次石墨烯制备失败了，另一部分人则认为有裂纹很正常。
毕竟芯片的面积只有那么一点点大，有裂纹也不影响整体的取件。
就像一块两三吨重的翡翠中有大裂也不影响它取手镯啊。
更何况韩元一直以来无论是制造什么东西都一次成功给观众留下了深刻的印象。
这让部分观众觉得一次成功属于必然的事情。
.......
看了眼虚拟屏幕上的弹幕，韩元苦笑了一下回道：“这一块石墨烯的确有可能出问题了。”
“上面的裂纹并不像翡翠一样那么简单。”
“石墨烯单晶质上有裂纹，是这一块材料整体的拉力释放不充分导致的，有裂纹, 就代表整块材料的晶形都可能变形了。”
“而形变了的晶材，是没法用来切割制造石墨烯晶圆的。”
顿了顿，韩元又补充道：
“当然，现在还只是初步的判断，具体情况如果，还需要通过专门的仪器来进行检测。”
“不过大概率这块石墨烯单晶材料已经没用了。”
韩元摇摇头, 将手中的石墨烯晶材装入专用的仪器中, 然后带向化学实验室的另一个房间中。
化学实验室中有很多专用的检测仪器，自从得到中级工业设备应用知识信息后, 他就对化学物理实验室以及冶炼厂等地方的设备做了一个全面的升级。
不说各种冶炼设备，就是各种检测设备也比以前高级多了。
向红外光谱仪、元素分析仪这些设备都是自带芯片并连接着中央计算机的。
分析检测出来的数据会自动传递到中央计算机里面，只要有网络，韩元可以在任何一个角落查看各种数据。
.......
一番折腾，有关这块新制备出来的石墨烯单晶材料的各种检测数据终于齐全了。
韩元翻阅了一下屏幕上的各种数据，摇了摇头叹了口气。
从红外光谱仪上的数据来看，这块石墨烯单晶材料的确是有问题的。
沿着y字型裂缝边，整块材料有一大半的地方晶体结构都扭曲了。
这是肉眼看不出来的地方。
就像原本平铺没有任何皱纹的床单，被人滚了一通后，上面就满是扭曲的纹路了。
虽然肉眼看不到这些扭曲的纹路，但对于它的用途来说，这块材料已经废了。
石墨烯晶圆虽然对于面积的要求并不大，其大小有四五个大拇指的指甲大小就够了，但它和硅晶晶圆一样，对于材料本身的要求相当高。
而这些因为裂纹张力导致的扭曲纹路，会对整块材料都造成极大的影响, 这些错乱的纹路, 会导致电子在整块芯片中乱串，根本就无法用于芯片上。
即便是还有少部分未被扭曲的地方，韩元也不敢使用。
这些未被扭曲的地方或许完好，但在一定的概率上还是有问题的，重制一块比较稳妥。
当然，在重制之前，他得找到这块石墨烯单晶材料为什么会出现裂纹，并处理掉，确保下一次的制备不会再次出现。
.......
韩元在实验室中寻找着石墨烯单晶材料出现问题的原因。
而蹲守在直播间里面的各国专家对韩元会如何解决这个问题很是好奇。
特别是华国研究石墨烯晶材的专家。
因为这個问题他们也碰到了，而且在一定程度上并未能解决。
众所周知，石墨烯是单层的碳原子组成的平面结构，而但这个平面结构中的原子数量不够时，就会因为张力等问题导致石墨烯平面出现原子键断裂，进而出现了裂缝。
这个问题，在石墨烯薄膜中广泛存在。
这是一种释放压应力而产生的线性缺陷，普遍存在于石墨烯薄膜中。
与其说是裂缝问题，不如说是石墨烯晶材的‘褶皱’问题。
如果只是单纯的裂缝存在并不会影响石墨烯材料的品质，避开裂缝选取晶圆就行。
但裂缝周边扭曲的皱褶，会使石墨烯的电学性质大大降低。
目前华国处理石墨烯晶材生长过程中出现的‘褶皱’问题主要有三条途径：
第一，低温生长；
相比较高温生长环境，低温生长会极大的削弱石墨烯晶材的应力问题, 自然也就不会出现褶皱了。
第二、选用热膨胀系数低的单晶衬底；
第三、减弱石墨烯与衬底之间的界面相互作用。
这三个办法是华国研究了数年才找出来的方法，能解决掉石墨烯晶材上的皱褶问题，但同时也带来了新的麻烦。
那就是采用这三个方法处理石墨烯晶材的褶皱问题会显示石墨烯晶材生长的面积大小。
对于几乎没有催化活性的绝缘衬底，会导致石墨烯成核密度过高，生长速率过慢，单晶畴区尺寸多为百纳米级别，较少会出现微米、毫米级别的单晶材料。
而这个畴区尺寸的石墨烯单晶材料是无法用作石墨烯晶圆的。
如果说要批量生产英寸级别的石墨烯晶圆的话，需要的时间又相当长，有些得不偿失。
毕竟碳基芯片的性能再优异，也是需要一定的面积来支撑里面晶体管的数量的。
晶体管的数量提升不起来，这块芯片的性能也根本无法提升。
所以目前华国中科院成功研制出8英寸石墨烯晶圆片，使用的石墨烯单晶制备方法并不是化学气相沉积法。
而是使用的另外一种实验室制备法。
问题在于这种实验室制备法批量生产的成本很高，利用这种方法去生产石墨烯晶圆的话得不偿失。
中科院一直在寻找低成本制造石墨烯晶圆的办法，气相沉积法就是其中研究的重点。
但很可惜在解决了褶皱问题后，石墨烯单晶材料的生长面积又遭到了限制，让人很是气馁。
所以对于韩元会如何解决石墨烯单晶材料上的褶皱问题，华国的专家尤为期待。
.......
显示屏前，韩元仔细的检查着石墨烯单晶材料的检查数据以及在生产制造过程中的记录日志。
这些东西结合起来检查，基本能找到问题所在的点。
谷芁
就像飞机失事后检查现场的零件碎片以及黑匣子日志一样，通过这两样东西，基本能还原飞机失事时的场景。
很快，通过高温冶炼炉记录下来的数据信息吉和红外光谱仪的检查数据，韩元找到这块石墨烯单晶材料了为什么会出现裂纹的原因。
其实原因相当简单，那就是他之前失误了，使用的单晶镍基底材料过大，导致单体面积上的碳粉、石墨粉末这些材料不够量。
最终导致碳原子在加热重构到了一定程度后，形成的石墨烯单晶材料在冷却时因为自身的张力问题出现了晶体裂键的问题。
对于这种情况，解决办法并不算复杂，按照各种材料对应的比例增加份量就可以解决。
只不过根据材料的量需要同步修改高温冶炼炉中甲烷、乙烯等各种气体的含量、压强、制备时间等各种参数。
这对于韩元来说并不难，花费了一些时间，韩元重新调整了各种参数信息，开启了第二次的石墨烯制备。
.......
找到问题和解决方式后，韩元简单的讲解了一下导致问题出现的原因以及解决方法。
简单的按照各种材料对应的比例增加原料份量就可以解决石墨烯单晶材料的褶皱问题听得各国的专家口瞪目呆，不敢相信。
但很快，这些专家想起了韩元之前说过的话，也反应了过来到底是怎么回事。
其实原因很简单。
他们和对方处理石墨烯单晶材料上的褶皱方式之所以天差地别，其主要原因是引导石墨烯单晶材料生长的基底材料以及晶核不同。
比如在气相沉积法这一块，华国使用的基底材料是液态铜，使用的含氮分子‘吡啶’作为碳氮源。
利用了吡啶分子在铜箔表面的催化脱氢自组装效应来生成石墨烯。
而对方利用的是单晶镍作为基底，利用了碳化硅作为晶核生长，在这个基础上，石墨烯的褶皱问题已经被解决了。
第一次生产出问题，就是纯粹的原料不足问题导致的，并非热效应张力。
想明白到底是怎么回事后，各国专家或摇头或脸伤露出了无奈的苦笑。
亏他们之前还在想着对方是不是也没有掌握石墨烯的制备技术，现在看来，只不过是对方第一次生产制备石墨烯不熟练而已。
......
经过调整，第二次制备出来的石墨烯单晶材料比第一次制备出来的要厚一些，不过裂纹已经没有了。
一系列的检查过后，韩元拿着检测数据松了口气。
第二次制备出来的石墨烯单晶材料从各项数据上来看，是符合制备石墨烯晶圆的要求的。
整体结构为单晶、整体无褶皱、整体超洁净、杂质含量低于0.0001%。
这些是基础属性，除此之外，韩元还检测了这块石墨烯单晶材料的界面导热率、导电率等一系列的东西。
通过检测，可以从显示屏上的数据看到，这块石墨烯的载流子迁移率达到了160000 cm2·v 1·s 1。
相比较之下，单晶硅的载流子迁移率一般都在2500-3500 cm2·v 1·s 1之间。
载流子迁移率，是指固体物理学中用于描述金属或半导体内部电子，在电场作用下移动快慢程度的物理量。
这是一个物理属性，并不需要了解它的原理，但要知道这个物理属性对于芯片的影响。
第一，载流子迁移率和载流子浓度一起决定半导体材料的电导率（电阻率的倒数）的大小。
第二，它影响器件的工作频率。
很多人应该都听说过芯片的‘超频’，特别是一些个人电脑爱好者。
超频指的是把一个电子配件的时脉速度提升至高于厂方所定的速度运作，从而提升性能的方法。
通过超频，可以让电脑的性能更加优秀。
比如英特尔系列的酷睿i系列cpu，通过超频手段能做到跨级别性能对比。
同代的i3处理器，在超频下，性能堪比同代i5，甚至超越。
但超频有一个坏处，它就跟人体长时间高负荷的劳动一样，容易累到累进医院。
所以对于芯片的寿命有很大的影响。
而石墨烯单晶材料的优越性，在这一方面体现的淋漓尽致。
正因为石墨烯具有如此高的载流子迁移率，使得其可应用于超高频器件，使得thz成为可能（硅基芯片无论再怎么提升，其高频也只能做到ghz级别）。
如在典型的100 nm通道石墨烯晶体管中，载流子在源漏之间传输只需要0.1 ps。
除此之外，这一份石墨烯单晶材料的热导率为3800 w/（m·k），是目前人工合成可用于电子器件中最高的。
相比之下，单晶硅的热导率只有250w/（m·k），两者之间的差距有多大，一眼就能看出来。
而高热导率，对于大功率器件的界面散热作用显著，毕竟热量能及时传递出去。
这能够提高器件效率、延长器件寿命，有望用于集成电路的热管理。
无论是高载流子迁移率还是高热导率，都可以看出石墨烯单晶材料的优秀性能。
这是硅基芯片无可比拟的。
当然，有性能优异的地方，自然就有性能低下的地方。
石墨烯单晶材料的超高电子载流子迁移率来源于它本身缺乏固有带隙性。
而缺乏固有带隙限制了石墨烯在逻辑电路中的应用。
其实这一点相当容易理解，在石墨烯中运行的电子，就好像在高速公路上运行的汽车一样，一座座的收费站，是电子的开关，它引导每一颗电子前往的位置。
而石墨烯单晶材料，是一条比硅基芯片更加宽广的高速公路，但这条高速公路上没有收费站。
这导致在上面行驶的汽车，也就是电子，可以随意乱跑。
这是碳基芯片中使用石墨烯材料作为晶圆时必须要解决的一个重要难题。
对于这个难题，现实各国的做法是在石墨烯晶圆底下附加一层单晶硅或者碳化硅晶材。
从而做到实现带隙功能。
但这种方式有个较大的缺点，那就是无论使用单晶硅还是碳化硅晶材作为基底，都会影响芯片整体的运行效率。
不是哪一种材料都有石墨烯单晶这么高的载流子迁移率和热导率的。
即便是超高纯度的碳化硅晶材，在这两方面的效率都远低于石墨烯单晶材料。
后面韩元同样也要解决石墨烯单晶材料带隙的问题，他使用的方法，也是这种。
这条路，其实是对的，只不过各国并没有找到的合适的材料而已。
或者说，他们找到了适合的材料，但是做不到将那种材料作为基底附着在石墨烯单晶晶圆上。
.......