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用肯塔基州東南部開采的藍色寶石煙煤加工而成的高質量二維碳制造的含有憶阻器的晶片，圖中展示了兩個樣品。資料來源：伊利諾伊大學香檳分校 Grainger 工程學院

伊利諾伊大學香檳分校、國家能源技術實驗室、橡樹嶺國家實驗室和臺灣半導體制造公司（TSMC）聯合開展的一項研究表明，煤炭在下一代電子設備中可以發揮重要作用。

伊利諾伊大學材料科學與工程系教授、該合作項目的共同負責人 Qing Cao 說："人們通常認為煤是又笨又臟的東西，但我們開發的加工技術可以將煤轉化為只有幾個原子厚的高純度材料。它們獨特的原子結構和特性非常適合制造一些性能優于最先進技術的最小電子器件。"

NETL開發的一種工藝首先將煤炭轉化為被稱為"碳點"的納米級碳盤，I.U.研究小組證明這種碳盤可以連接起來形成原子級薄膜，應用于二維晶體管和憶阻器，這些技術對于構建更先進的電子器件至關重要。這些成果發表在《通信工程》雜志上。

完美的二維電子器件

在不斷尋求更小、更快和更高效電子器件的過程中，最后一步將是使用只有一或兩個原子厚度的材料制造器件。設備的尺寸不可能小于這個極限，而小尺寸往往使其運行速度更快，能耗更低。雖然超薄半導體已被廣泛研究，但要構建晶體管和憶阻器等工作電子器件，還需要原子級薄的絕緣體--阻斷電流的材料。

具有無序原子結構的原子級碳薄層可以作為構建二維設備的絕佳絕緣體。合作研究人員已經證明，這種碳層可以由煤炭中提取的碳點形成。為了證明他們的能力，Cao 領導的伊利諾伊大學小組開發出了兩種二維設備。

Cao說："這確實令人興奮，因為這是煤炭這種我們通常認為技術含量不高的東西第一次直接與微電子學的尖端技術聯系在一起。"

晶體管電介質

研究小組在基于半金屬石墨烯或半導體二硫化鉬的二維晶體管中使用煤炭衍生的碳層作為柵極電介質，使設備的運行速度提高了兩倍多，同時能耗更低。與其他原子級薄材料一樣，煤炭衍生的碳層不存在"懸空鍵"或與化學鍵無關的電子。傳統的三維絕緣體表面存在大量的這些位點，它們通過有效地發揮"陷阱"的作用而改變了絕緣體的電氣特性，減緩了移動電荷的傳輸速度，從而降低了晶體管的開關速度。

然而，與其他原子級薄材料不同的是，新型煤碳層是無定形的，這意味著它們不具有規則的晶體結構。因此，不同結晶區域之間沒有邊界，而這些邊界是導致"漏電"的傳導路徑，即不希望有的電流流經絕緣體，并在設備運行期間造成大量額外功耗。

晶體管燈絲

小組考慮的另一項應用是憶阻器--一種既能存儲數據又能對數據進行操作的電子元件，可極大地促進人工智能技術的實施。這些器件通過調節一對電極之間的電化學反應形成的導電絲來存儲和表示數據，中間夾著絕緣體。

研究人員發現，采用超薄煤炭衍生碳層作為絕緣體，可以快速形成這種低能耗的導電絲，從而以較低的功率實現較高的設備運行速度。此外，這些煤衍生碳層中的原子尺寸環還能限制絲狀物，從而提高設備運行的可重復性，從而增強數據存儲的保真度和可靠性。

從研究到生產

新開發的器件為在二維器件中使用煤衍生碳層提供了原理證明。剩下的工作就是證明這種器件可以大規模制造。

Cao說："半導體行業，包括我們在臺灣半導體公司的合作者，都對二維器件的能力非常感興趣，我們正在努力實現這一承諾。未來幾年，I.I.大學將繼續與 NETL 合作，開發一種可在工業環境中實施的煤基碳絕緣體制造工藝。"