4.3 逻辑晶体管

目前广泛应用的硅技术已经发展到接近甚至是低于10nm的水平。2020年后石墨烯晶体管也许可以代替硅技术（根据2011年半导体国际技术路线）。

几种研究路线被用于打开石墨烯的能带隙：纳米带，单电子晶体的形成，多层的控制和化学修饰石墨烯。然而，所有的方法（除了化学修饰）都不能打开超过360meV的能带隙，这将开关电流比限制在了103，远远小于需要的106。更为严重的是，这样做会使得石墨烯中载流子的迁移率衰退。

开关电流比低的问题已经在新的晶体管的设计中被解决，利用调控石墨烯的功能泛函数，获得通过各种壁垒控制垂直传导。尽管这种设备可以允许开关电流比>106，但是预计在2025年，这种石墨烯应用与逻辑晶体管中前仍有很多的问题需要被解决。

石墨烯的电子和热的传导效率以及优异的屏障属性，可能会应用于互联和热耗散的集成电路材料。石墨烯能十分容易地通过CVD在铜上生长，人们也许可以看到石墨烯在集成电路方面的应用。

5 光子学

石墨烯中的电子作为无质量的二维粒子，对于低于3eV正常的入射光造成了一个非常重要的非波数吸收（πα≈2.3%）。此外，当光能小于两倍的费米能级，由于Pauli阻隔作用，单层和多层石墨烯变得完全透明。这些属性适合用于许多可控光子设备。

▲图3 石墨烯基光子学应用

▼表3 石墨烯的光子学应用

5. 1 光电探测器

石墨烯光电探测器是目前研究最为广泛的光电子器件之一。与半导体光电探测器不同的是，石墨烯原则上可以用于从紫外到红外的宽频光谱区域。另一个优点是高操作带宽，该优点可以使石墨烯光电探测器适用于高速数据通讯中。由于载体传递的时间的限制，铟镓砷（用于光通讯）和通用电气（用于光学互连）光电探测器的最大带宽分别为150GHz和80GHz。由于可以允许较高的带宽操作，高载体活动性的石墨烯提供了快速提取图片的载体。在已报道过的饱和载流子的速度下，石墨烯光探测器因受到时间限制所影响的带宽预计可以到达1.5THz。实际上，由于电容的延迟而非传递时间的延迟，石墨烯光电探测器的最大带宽被限制在640GHz。

由于缺少能带隙，石墨烯光电探测器需要不同于半导体石墨烯的载流子提取模型。目前，石墨烯光电探测器使用金属-石墨烯表面附近的局部电位变化来提取光电探测载体。光响应速率可以到达40GHz，探测器操作速率可以到达10GHz。然而，由于较小的有效探测区域和较薄石墨烯对吸收率的限制，最大响应速率比较低。

提高石墨烯光电探测器灵敏度的方法有很多，例如通过使用纳米结构的等离子体来增强局部的光学电场或者通过与波导结合来增加光-石墨烯相互作用长度。相比于通用光电探测器和光相互连接线路图的最大带宽，石墨烯光电探测器只有到2020年之后才会出现与现代高性能石墨烯半导体技术相匹配的探测方法，那时候带宽超过100GHz的石墨烯光探测器才会变得有竞争力。

5.2 光调制器

光调制器是构建光学相互关联的关键，通过改变光的性能比如相，振幅，利用电子折射极化或者电子吸收来编辑传输数据。硅光调制器，例如Mach-Zehnder干涉仪，环形共振器和电子吸附调制器分别是依据干涉，共振和能带隙吸收来实现的。其操作光谱通常比较窄，缓慢的转换时间限制了操作带宽。对于硅波导调制器，硅原子中心附近的p-n共轭产生较大的阻碍，因此限制了带宽会经常小于50GHz。

优异的光调制器的性能可以通过剥离制得的石墨烯的特性来实现，石墨烯从较宽波谱的光中吸收少量入射光并且能够快速地做出响应。为了实现这些性质，在单层石墨烯片层中，谱带间转移的光电子通过驱动电压在宽频谱带间调制，可以得到在近红外区带宽超过1GHz运行速度的光调制器。通过一些结构的改变，使用相互限制的双层石墨烯可以减少RC延迟时间中的阻碍，提供一个可以达到上百千兆的区域，理论上操作带宽超过50GHz的光调制器是可以实现的，但是需要等到2020年以后。石墨烯是一种兆赫级无线通讯的潜在材料，因为在石墨烯中光损失要远小于贵金属。

5.3 锁模激光器/THz发生器

超快的被动锁模激光器已经用于光谱、微材料加工、生物医药和安全应用中。它们经常作为一个饱和吸收体，通过选择传递高光强光从而造成光强的调制。与广泛使用的半导体饱和吸光体相比，石墨烯单层吸光率很高，在低光强度下的宽谱带区域就可以达到饱和。超快载流子的弛豫时间、可控的调制深度、高损伤极值、高热导率和宽频可调都是石墨烯饱和吸收体的优点。因此上述应用需要石墨烯的量比较小，所以商品化的产品可以在2020前出现。

科学家们将很多研究都放在了纤维和固态的激光器上，但是石墨烯饱和吸收体也能够应用在半导体激光技术中。波长多路复合消除方案的光互连需要一系列不同波长的激光。一种产生不同波长的方法是使用不同纵向模式的单个激光，例如锁模激光。主动的锁模硅杂化激光已经被研究用来满足激光技术的需要，但是石墨烯饱和吸收体可以提供操作和加工简单的被动锁模半导体激光。然而研究人员预期这种应用只会出现在21世纪20年代后期——高度集成光互连技术成型之后。

兆赫级信号发射器可以被用于许多领域之中，例如医学成像，化学传感器和安全设备。早期设想，兆赫级电磁波发射器使用石墨烯作为媒介来产生光泵受激辐射。然而，其电子和空穴有着相近的迁移率，所以photo-Dember（由于电子与空穴有着不同的扩散时间，形成偶极并产生兆赫级辐射）的影响不会那么有效。因此，很难获得克服受激发射阈值，且不破坏材料的连续操作波。最近关于兆赫波发射器的研究认为：在飞秒激光脉冲区域内，使用单层或者多层石墨烯的脉冲激励，可以产生载体，载体可以加速产生兆赫波。然而，在强度方面，石墨烯比III–V族元素的半导体的光导天线或者共振穿梭器要小103—104。预计在2030年之后兆赫波发生器中才会使用石墨烯材料。

5.4 光学偏振控制器

偏振控制器（如偏振器和旋转偏振器）是重要的无源元件，它们可以操纵极化光子的性质。差动横向磁场的衰减模式下，由于Dirac费米子的激发可以得到覆盖了较宽的通讯带，其消光比为27dB。简化的光学偏振器已经被用于结合了线性传导层石墨烯的数据通讯光学纤维中。高质量微米级石墨烯需要与光学纤维或者硅杂化设备结合使用。因此，如果石墨烯的生产技术已经成熟，那么这些设备就可以在2020年前投入使用。

法拉第消光是一种常用的调控光偏振的方法。石墨烯中二维电子气的郎道量子化，产生剧烈的快速回旋响应和宽带可调谐性。更大的偏振旋转可以通过石墨烯结构多层堆叠实现。两个偏振器与法拉第旋转器同时使用可以得到简单的混合光电隔离器。但是小于1T的理想磁场是石墨烯光电隔离器最大的挑战，因此石墨烯光电隔离器将会推迟到21世纪20年代后期上市。

本文来源：不详 作者：佚名