第四百一十六章：轨道杂化-石墨烯带隙问题

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用于光蚀碳基芯片的光刻机组装完成，需要的基础材料也都有了，接下来要做什么自然不言而喻。

直播间里面的绝大部分观众对后面的事情都很期待，希冀着碳基芯片的到来。

至于为什么说是绝大部分而不是全部，那自然是群众间有坏人啊。

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模拟空间内，韩元在高标准的净洁无尘化学实验室中处理着制造碳基芯片用的石墨烯单晶晶圆材料。

有了石墨烯单晶晶圆材料并不代表着碳基芯片就十拿九稳了。

超高纯度的石墨烯单晶晶圆只是制造碳基芯片的最基础材料，除此之外, 还有碳纳米管、高纯度碳化硅晶材这些都是需要附属上去的。

就像硅基芯片的单晶硅一样，石墨烯单晶虽然性能优异，但因为本书属于单晶级材料，也是需要进行掺杂其他离子材料进行制造相应的P、N类半导体。

这一步无论是在硅基芯片上还是碳基芯片上都必不可免。

当然，给石墨烯单晶晶圆进行掺杂的手法和掺杂的离子材料和单晶硅肯定是不同的。

碳和硅，这两种材料都属于碳族元素, 而且两者最外层都有四个电子，两元素有着非常相似价层电子组态，区别在于内核的质子数与外层电子数不同。

碳的核内有6个质子, 硅的核内有14个质子。

碳的电子数目是6个，分两层，里层2个，外层4個。

而硅的电子数目是14个，分三层，里层2个，中间层8个，外层4个。

质子和电子数目不同，这导致了它们的成键性质不同，也导致了它们在面对不同材料时成键轨道、性质以及对应的键能量级不同。

用一句比较容易理解的话来说，那就是碳原子在对面各种其他原子的时候，能形成比硅更加稳化合物。

碳原子与碳原子之间、碳原子和其他原子之间形成共价键，键能大，化合物较稳定，所以在自然界能形成种类繁多的化合物。

这也是为什么在地球上，明明是硅在地壳中含量仅次于氧, 远比碳多, 但自然界中硅元素的化合物种类却没有碳元素的化合物种类多原因。

因为硅的化合物没有碳的稳定。

而这点，其实是可以应用到碳基芯片的制造上面的，

应用碳的化合物来制造相应的P、N类半导体，其理论基础是‘轨道杂化理论’。

解决的问题是石墨烯单晶材料的‘带隙’问题。

石墨烯单晶材料的带隙缺乏，限制了石墨烯在逻辑电路中的应用。

相当于家里的电灯没有开关一样，一直常亮。

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‘轨道杂化理论’是在1931年的时候由米国的化学家鲍林在原子的价键理论的基础上提出的，它属于现代价键理论。

但是它在成键能力、分子的空间构型等方面丰富和发展了现代价键理论。

所谓的轨道杂化，简而言之，就是指在形成分子时，由于原子的相互影响，若干不同类型能量相近的原子轨道混合起来，重新组合成一组新轨道。

这种轨道重新组合的过程叫杂化，所形成的新轨道就称为杂化轨道。

通过杂化轨道理论形成分子时，一般的材料都会存在激发、杂化和轨道重叠等过程。

比如ch4分子的形成过程：碳原子2s轨道中1个电子吸收能量跃迁到2p空轨道上，这个过程称为激发。

但这个时候各个轨道的能量并不完全相同，于是1个2s轨道和3个2p轨道“混合”起来，形成能量相等、成分相同的4个sp3杂化轨道

然后4个sp3杂化轨道上的电子间相互排斥，使四个杂化轨道指向空间距离最远的正四面体的四个顶点，碳原子的4个sp3杂化轨道分别与4个h原子的1s轨道形成4个相同的σ键, 从而形成ch4分子。

由于四个c-h键完全相同, 所以形成的ch4分子为正四面体，键角109o28＇。

而之所以要这样做，好处在于杂化轨道形成的化学键的强度更大，体系的能量更低，可以更进一步的提高材料的稳定性。

这种手段应用在石墨烯单晶晶圆材料上，能极为有效的稳定晶圆的性能，弥补石墨烯材料的缺点。

众所周知，石墨烯材料优点很多，比如在非常薄的情况下具有非常硬的属性，韧性极高，导电性好等等。

因此它的用途极多，也非常广泛。

从光学、电学、力学特性，再到材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面都具有相当广阔的应用前进。

但优异的性能背后自然有着缺点。

除了大规模生产石墨烯非常困难且昂贵外，墨烯与氧气和热量（共同）具有很高的反应性。

由于石墨烯具有良好的导热性能，但其本身并不那么稳定，尽管后面科学家找了使用CVD这种可以生产大量的石墨烯方法。

但是无法在有氧环境中稳定存在是石墨烯巨大的缺点，包括韩元制备成的石墨烯单晶晶圆材料。

如果它在高温下与氧气反应，会导致生成氧化石墨烯，该氧化石墨烯会破坏石墨烯本身的性能，直至失去导电性能。

这对于石墨烯材料来说，可以说是一个致命的缺点了。

毕竟如果使用石墨烯制造成碳基芯片的话，不可能不商业化应用。

而商业化应用，你不可能给每一块芯片都配备一个无氧环境或者真空环境。

且不说需要耗费的金钱和资源，就对环境要求度极高的芯片这一块来说，那根本就不实用。

针对这个缺点，各国的专家都在寻找弥补的办法，但迄今为止，依然没有什么稳定有效的弥补方式。

而通过轨道杂化技术，可以有效的弥补这个缺点。

因为杂化后的电子轨道与原来相比在角度分布上更加集中，从而使它在与其他原子的原子轨道成键时重叠的程度更大，形成的共价键更加牢固。

这样一来，通过杂化轨道技术处理后的石墨烯材料将不再惧怕有氧和高温的环境。

当然，杂化轨道技术也不是没有缺点的。

首先，在1931年提出轨道杂化理论后，这项理论和技术过来接近一百年依旧没有完全成熟。

尽管目前的杂化轨道技术已经应用到了各种分子化合物上，甚至已经编写到了初高中化学教材中。

但不可否认的是，无论是理论还是技术，都没有形成自己的闭环。

目前各国研究中的杂化轨道中还只用了能量最接近的价层轨道，比如有机物中的C原子只用它的2s和2p。

可是单纯用两三个轨道根本不满足轨道杂化完备基的要求。